基于LabVIEW的自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)

吳傳全

摘要：文章探討了在氣象監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)需要監(jiān)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、分析和保存等功能都可以使用虛擬儀器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)溫度、濕度、氣壓及PM2.5各類(lèi)氣象要素進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)采集，并能根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)來(lái)查詢(xún)歷史氣象數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，將虛擬儀器技術(shù)和氣象學(xué)科相融合，可以節(jié)約很多資源。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；氣象；無(wú)線傳輸；傳感器

初期的氣象儀其實(shí)就是完全以各類(lèi)電子元件為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)而成的一種專(zhuān)業(yè)檢測(cè)氣象數(shù)據(jù)的儀器。其主要的特征是用戶(hù)所需求的結(jié)構(gòu)功能，只能在儀器設(shè)備早期設(shè)計(jì)的時(shí)候來(lái)構(gòu)建，只要儀器設(shè)備一旦制作完成，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺點(diǎn)，再想對(duì)其進(jìn)行修改和擴(kuò)展，就會(huì)非常困難，幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。基于上述原因，早期的氣象儀不僅在設(shè)計(jì)、制作時(shí)就需要耗費(fèi)非常多的人力、物力和很長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期，也不便于其自身的升級(jí)更新，更不用說(shuō)促進(jìn)、推廣了。

作為將自動(dòng)化概念引入到氣象行業(yè)的重要表現(xiàn)，自動(dòng)化氣象站主要運(yùn)用了電子科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為技術(shù)支持設(shè)計(jì)而成的。現(xiàn)場(chǎng)24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)空氣相對(duì)水分含量、溫度、氣壓、土壤水分含量等氣象要素，并能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)到的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)到相應(yīng)的位置。

1.硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用了軟硬件相結(jié)合的方式完成，硬件部分主要由各類(lèi)氣象數(shù)據(jù)傳感器、STC89C58RD+單片機(jī)等組成，本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)所使用的前端硬件數(shù)據(jù)采集模塊的前端控制芯片為STC89C58RD+單片機(jī)，首先由它來(lái)控制傳感器的數(shù)據(jù)采集工作，并且對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將處理過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送出去。再由上位機(jī)接收到通過(guò)無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)通信的經(jīng)過(guò)初步處理的數(shù)據(jù)，最后由上位機(jī)軟件對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、儲(chǔ)存及顯示。在設(shè)計(jì)中，主要介紹的是前端硬件模塊中各個(gè)部分的選用、性能參數(shù)、接口電路的設(shè)計(jì)等以及無(wú)線傳輸模塊的選擇、接口電路的設(shè)計(jì)、參數(shù)的設(shè)定和工作模式的介紹等。

2.硬件電路軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序如圖2所示，開(kāi)始時(shí)先進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的初始化工作，主要包括設(shè)定定時(shí)器、中斷、串口相關(guān)的特殊功能寄存器，程序ROM區(qū)和數(shù)據(jù)RAM區(qū)的初始化，設(shè)定各I/O口的初始狀態(tài)等主程序運(yùn)行之前的準(zhǔn)備工作，電源檢查和保護(hù)，利用看門(mén)狗監(jiān)視芯片上電后STC89C58RD芯片內(nèi)各個(gè)資源的硬件運(yùn)行情況，定時(shí)器的設(shè)定，所有變量初始化，開(kāi)中斷等。然后依次對(duì)溫濕度、氣壓、PM2.5、風(fēng)速風(fēng)向和雨量傳感器上傳的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理成發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸形式，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)送。其流程如圖2所示。

3.串口通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)是以獨(dú)立字節(jié)的方式傳輸?shù)模總€(gè)字節(jié)前有1個(gè)起始信號(hào)，字節(jié)后有1個(gè)終止信號(hào)，起始位到終止為構(gòu)成一幀數(shù)據(jù)。一般，起始位占用1位，字符編碼占7位，第8位為奇偶校驗(yàn)位，停止位可占用1位、1.5位或2位。因此，一幀數(shù)據(jù)便由10，10.5或者11位構(gòu)成。

3.1串口寄存器配置

SCON寄存器——串口控制寄存器。這個(gè)寄存器的位置含義如圖3所示。

圖中SMO和SMl的定義如表l所示。

其中，fosc為單片機(jī)的時(shí)鐘頻率；波特率指串行口每秒發(fā)送（或接收）的位數(shù)。

電源寄存器PCON如表2所示。

SMOD：波特率加倍位。

GFI/GFO：通用標(biāo)志位。

PD：掉電方式位。

IDL：待機(jī)方式。

在了解了串行口相關(guān)的寄存器之后，可得出其通信波特率的一些結(jié)論：

（1）方式0和方式2的波特率是固定的。在方式0中，波特率為時(shí)鐘頻率的1/12，即fosc/12，固定不變。在方式2中，波特率取決于PCON中的sMOD值，即波特率為：fosc=2SMOD*fosc/64。當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率為fosc/64；當(dāng)SMOD=1時(shí)，波特率為fosc/32。

（2）方式1和方式3的波特率可變，由定時(shí)器1的溢出率決定。

波特率=2SMOD*（T1溢出率）/32

當(dāng)定時(shí)器T1用作波特率發(fā)生器時(shí)，通常選用定時(shí)初值自動(dòng)重裝的工作方式2。其計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)為8位，假定計(jì)數(shù)初值為Count，單片機(jī)的機(jī)器周期為T(mén)，則定時(shí)時(shí)間為（256 Count）×T。從而在ls內(nèi)發(fā)生溢出的次數(shù)（即溢出率）：溢出率=1/（256-Count）×T。從而波特率的計(jì)算公式則為：波特率=（2SMOD/32）×[fosc/12（256-x）]。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常是先確定波特率，后根據(jù)波特率求T1定時(shí)初值，如：T1初值=256-2SMOD/32×[fosc/（12X波特率）]。

4.LabVlEW軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEw是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）研發(fā)的一門(mén)圖形化編程語(yǔ)言（G語(yǔ)言）。和c，BASIC等編程語(yǔ)言一樣，擁有一個(gè)擴(kuò)展性強(qiáng)的、完備的、功能強(qiáng)大的、模塊化的函數(shù)庫(kù)以及各種面板控件。更因其圖形化編程的簡(jiǎn)便模式，使得用戶(hù)能夠便捷地設(shè)計(jì)自己在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中所需要的儀器系統(tǒng)。

由于采用了圖形化編程語(yǔ)言——G語(yǔ)言，在這個(gè)生活和工作節(jié)奏越來(lái)越快的時(shí)代，LabVIEW產(chǎn)生的程序具有易學(xué)易用的特點(diǎn)，給工作節(jié)奏很快、需要簡(jiǎn)便的編程語(yǔ)言來(lái)適合自己的節(jié)奏的人員如硬件工程師、科學(xué)家、高級(jí)技術(shù)人員帶來(lái)了很大的便利，由于其框圖的編程方法，使用者可以在較短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)并使用到現(xiàn)實(shí)中去。

4.2本文中自動(dòng)化氣象站系統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)模式及系統(tǒng)框架

自動(dòng)化氣象站系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模式如圖4所示，主要使用在LabVIEW指的是項(xiàng)目“連續(xù)測(cè)量和記錄“基于模板的實(shí)例，因?yàn)長(zhǎng)abVIEw具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，所以在“連續(xù)測(cè)量和記錄”模板的基礎(chǔ)上，可以升級(jí)與擴(kuò)展出所需要的自定義應(yīng)用程序。而“連續(xù)測(cè)量和記錄”中卻是以“隊(duì)列消息處理器”的設(shè)計(jì)模式擴(kuò)展開(kāi)發(fā)出來(lái)的。而在“隊(duì)列消息處理器”中則主要以數(shù)據(jù)的采集和儲(chǔ)存同時(shí)監(jiān)控用戶(hù)界面事件的模板。在此模板中，“事件處理循環(huán)”就是按照用戶(hù)界面的動(dòng)作產(chǎn)生各種消息。然后將這些消息放入到“消息處理循環(huán)”當(dāng)中對(duì)生成的消息進(jìn)行處理。換句話說(shuō)，一個(gè)“隊(duì)列消息處理器”設(shè)計(jì)模式是一種復(fù)雜的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，在這里面“事件處理循環(huán)”其實(shí)就是生產(chǎn)給“消息處理循環(huán)”處理的消息的“生產(chǎn)者”。而“消息處理循環(huán)”則是處理相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理者。

上述是“隊(duì)列消息處理器”設(shè)計(jì)模式的簡(jiǎn)介，而“連續(xù)測(cè)量和記錄”則是在這個(gè)基礎(chǔ)之上又添加了數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)處理線程和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示面板等模板。從本質(zhì)上講，這里的設(shè)計(jì)模式其實(shí)就是一個(gè)復(fù)雜化的基本生產(chǎn)者和消費(fèi)者模式。由上面的“消息處理循環(huán)”生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集線程等需要處理的命令或者數(shù)據(jù)，然后由消費(fèi)者進(jìn)行處理，比如數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和顯示等。

而且在本模板下，數(shù)據(jù)的采集并不是一直都在進(jìn)行的，它的動(dòng)作是被用戶(hù)控制界面中的控件所控制的，這樣就節(jié)省了計(jì)算機(jī)的內(nèi)存使用量和微處理器的利用率。除此之外，這樣的模式層層遞進(jìn)，條理清晰，便于后期的擴(kuò)展與維護(hù)。本系統(tǒng)框架如圖4所示。

5.結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化氣象站是基于LabVIEW編程語(yǔ)言的氣象要素檢測(cè)體系。為了能夠保證各傳感器正常、穩(wěn)定地工作，該系統(tǒng)使用單片機(jī)STC89C58RD+作為前端硬件系統(tǒng)的控制中心。為了數(shù)據(jù)讀取更加方便，易于操作，各傳感器均采用的數(shù)字式傳感器。后端用戶(hù)人機(jī)界面采用的則是虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)——LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，效率高，編程界面直觀，總體來(lái)說(shuō)，本設(shè)計(jì)有以3個(gè)特點(diǎn)：（1）靈活性。因?yàn)長(zhǎng)abVIEw具有很強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，所以設(shè)計(jì)系統(tǒng)后臺(tái)的用戶(hù)界面是LabVIEw系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶(hù)的具體要求隨意地添加、更改儀器的功能和作用，這點(diǎn)是傳統(tǒng)的儀器所無(wú)法比擬的。而傳統(tǒng)儀器一經(jīng)生產(chǎn)完成就無(wú)法更改其功能。與之相比，本文中使用的界面則更加有優(yōu)勢(shì)。（2）功耗低。任何一個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上都要考慮功耗的問(wèn)題，本系統(tǒng)前端的傳感器和控制元件在選用時(shí)均采用低功耗元件，各種元件的供電電壓均采用5V供電，在保證正常工作的狀態(tài)下盡量將系統(tǒng)功耗控制在較低的范圍內(nèi)。（3）實(shí)用性。LabVIEw與別的軟件相比，具有能夠融入硬件的特性的能力，使得它能夠更加有效地與硬件結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)硬件的功能，也提高了該系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。