基于STM32的氣象數據在線監測儀設計

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(廣東省氣象探測數據中心, 廣州 510080)

0 引言

地面氣象觀測對象包括地面附近的空氣溫度、空氣濕度、氣壓、風向、風速、自然水面蒸發量、降水量、大氣能見度、日照時間、云高、云狀、雷電等等，其中溫度、濕度、風向、風速、氣壓和降水是常規觀測項目[1]。氣象環境數據是慢變量，而氣象觀測儀器是在野外工作，為了剔除錯誤和干擾數據，平滑波動信號，一般情況下以每分鐘的平均值作為氣象瞬時值[2]，分鐘數據實時傳輸到中心數據庫以供氣象預報、防災減災等應用。

目前國內氣象行業已經有幾萬個氣象數據在線監測站，但大部分監測儀主機都是采用C51系列單片機作為中央處理芯片，工作頻率低，存儲能力有限，功能接口簡單，缺乏擴展性。工作頻率低造成采樣密度低，樣本數量有限，進而導致數據的可信度滿足不了要求。存儲能力有限，當惡劣天氣導致野外觀測儀器實時傳輸失敗的時候，重要的氣象觀測數據不能盡可能多的保存下來，以待事后的災害分析。有的采集器只能實現簡單要素的采集和數據傳輸，例如單雨量站；絕大部分的采集器不帶顯示功能，并且只能保存半個月的數據[3]。因此當數據質量和數據安全日益被重視的時候，采用C51單片機的氣象數據監測設備已經不能滿足現代氣象監測發展的需要[4]。

1 結構及原理

監測儀基于現代總線技術和嵌入式系統技術構建，采用了國際標準并遵循標準、開放的技術路線進行設計，它由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括采集器、外部總線、傳感器和外圍設備四部分；軟件主要為嵌入式軟件采集處理。

監測儀主機內部結構如圖1所示。

圖1 監測儀內部結構

主采集器是監測儀的核心，由硬件和嵌入式軟件組成。主采集器嵌入式處理器選取STM32F207為ARM9系列的32位處理器，具有強大的性能如下：以120 MHz高速運行時可達到150DMIPS的處理能力；自適應實時閃存加速器使得STM32F2可以在片內閃存，具有高達1 M字節的片上閃存和128 K字節的內嵌SRAM；具有靈活的高速外部存儲器接口用于擴展片外存儲器和外設；3個12位采樣率高達2M/秒的ADC模塊；翻轉速率高達60 MHz的GPIO；實時時鐘電路和USB/CAN總線/RJ45接口等等[5]。主采集器還為處理器配置了16位的A/D 轉換電路、大容量的程序和數據存儲器、監測電路、觸摸顯示屏和信號接線板等。硬件系統能夠支持嵌入式實時操作系統的運行[6-7]。

主采集器直接掛接的傳感器包括：氣溫、地溫、濕度、氣壓、降水量、風向、風速、蒸發和能見度[8-9]。監測儀的信號連接示意如圖2所示。各種傳感器信號線通過信號接線板與監測儀相接，監測儀進行數據采集與處理之后通過2路[10]RS232端口分別發送到觸摸顯示屏和遠距離通信模塊，實現遠程無線傳輸和設備監控。

圖2 監測儀連接示意圖

如圖2所示，自動氣象站使用的傳感器，根據輸出信號的特點，可分三類。第一類是模擬傳感器：輸出電壓或者電流模擬量信號的傳感器，包括氣溫、濕度、蒸發、草面溫度和地面溫度等；第二類是數字傳感器：輸出數字量(含脈沖和頻率)信號的傳感器，包括風向、風速、雨量等傳感器；第三類是智能傳感器：一種帶有嵌入式處理器的傳感器，具有基本的數據采集和處理功能，一般采用RS485/232協議，輸出串行數字信號，包括氣壓和能見度傳感器。

2 數據采集

為了在增加單位時間內的采樣頻率的同時不影響外部中斷響應的實時性，設計了循環采樣設計，將各種要素采樣程序和時鐘中斷處理、外部中斷處理程序放在一個大循環里面。在詳細分析各氣象傳感器信號特征的基礎上設計了各要素采集的信號流程和關鍵器件配置，并按氣象觀測標準對傳感器信號進行采集。

2.1 循環采樣設計

由于氣象瞬時值和極值統計一般以分鐘為基本單位長度，設計每分鐘內的數據采集循環如圖3所示。軟件每秒鐘查詢是否到達下一分鐘，如果沒有，則進行溫度各通道的數據采集，包括發送指令選擇被采集通道、延時、返回信號濾波、采樣前充電、模數轉換和讀取采樣值等序列程序。然后進行濕度各通道的數據采集，采集時序流程與溫度相同。如果出現時鐘中斷，運行中斷任務，包括雨量信號探測和識別、風向讀取、風速讀取轉換等。如果出現外部觸發中斷(主要指串口中斷)，則運行氣壓采樣處理、能見度采樣處理或者是通信交互程序。

圖3 循環采樣

圖中可見嵌入式程序的大循環中還包含下載任務和每秒任務。下載任務指采集器接收到下載多條數據命令之后在循環中逐一發送，避免連續發送多條數據的情況，因為串口發送中斷占用系統時間過長會影響其他任務的執行。每秒任務指設備定時自檢和按照氣象觀測要求定時運行的采樣數據質量控制、分鐘氣象瞬時值計算、數據儲存和分鐘數據顯示任務。

2.2 溫度采集

溫度傳感器采用鉑電阻，其阻值隨著溫度的變化產生線性變化，當溫度為0 ℃時，鉑電阻為100 Ω。模數轉換采用16位芯片AD7792，參考電平5 V，能夠轉換0～5 V信號電壓。溫度采集的硬件原理圖如圖4所示，標準電阻為精度為萬分之一的100 Ω電阻，其電阻值不隨溫度的變化而變化。通過比較同一時刻標準電阻與鉑電阻上的壓降，可以計算出溫度的變化值。根據《新型自動氣象(氣候)站功能需求書》要求，溫度的每分鐘采樣次數必須大于30次，測量靈敏度為0.1 ℃，最大誤差不超過±0.2 ℃。

圖4 溫度監測回路

為了提高測量精度，降低測量誤差，溫度鉑電阻采用了四線制[11]，即工作回路與信號回路分開。由于信號回路中電流非常微弱，使得回路電纜的線上壓降基本為0。此外，由于監測儀需要采集多個溫度信號，監測回路中的標準電阻是各溫度通道的共用器件，當某一鉑電阻傳感器未被處理器選擇采樣的時候，電子開關使該傳感器不經過標準電阻直接使用5VDC工作，當該鉑電阻被選擇進行采樣時，電子開關使傳感器與標準電阻串聯，這樣無論是否被采樣，鉑電阻傳感器一直處于穩定工作狀態。

2.3 濕度和蒸發采集

濕度傳感器一般采用濕敏電容作為核心元件，濕敏電容以流通的空氣作為絕緣電介質，當空氣中的相對濕度發生變化，電介質的介電常數發生變化，電容值也隨之改變。傳感器與濕度的變化相對應輸出0～1 V的連續電壓信號。蒸發傳感器采用超聲波測距組件為核心器件，測距組件探測到蒸發器皿水面高低的變化，并將0～100 mm的變化使用4～20 mA的連續電流信號來表示。對于蒸發傳感器的電流信號，采集器端增加了100 Ω的負載電阻，以便將電流信號轉換成電壓信號再進行數據采集。

圖5 濕度信號流程

圖5為濕度和蒸發的信號流程圖。工作回路供電為12VDC，信號回路連接至多路復用開關ADG1607BRUZ。當中央處理器MCU運行程序輪詢采集濕度或者蒸發信號的時候，軟件指令接通多路復用開關，將該信號輸入16位A/D轉換通道。經過必要的穩定時間(一般為10～40 ms)之后，A/D將該電信號轉換為數字信號，并通知處理器讀取。根據功能需求書要求，濕度采集精度為1%RH，當濕度大于80%RH時，最大允許誤差為±5% RH，否則為±3% RH；蒸發采集精度為0.1 mm，最大允許誤差為±2%。兩者的采樣頻率要求大于30次/分。

2.4 風向風速和雨量采集

格雷碼是一種特別的二進制編碼，其大小相鄰的兩個碼之間僅有一位二進制數不同；位數相同的兩個碼，最大值與最小值之間也僅有一位二進制數不同，這種特性很適合使用電路實現物理量到脈沖數字量的轉換。氣象觀測中風向傳感器主要采用7位格雷碼脈沖信號，即使用7個信號共同表示一個風向角度[12]。風向標隨著風向的改變而朝向不同的方向，轉軸帶動格雷碼盤，在0～360°方向對應輸出不同的7位格雷碼脈沖信號。例如風的來向為北偏東3°時，7位格雷碼為0000001，即最低位輸出高電平，其他6位輸出低電平。

風速傳感器則多采用光敏元件或者霍爾元件。使用光敏元件的傳感器其轉軸速度隨風速變化，轉軸帶動的遮光板以不同的頻率遮擋光敏元件，使其導通頻率與風速具有線性的關系，可通過導通脈沖的頻率計算風速。使用霍爾元件的傳感器其轉軸帶動導線以不同的頻率切割傳感器中永久磁鐵產生的磁力線，產生與風速具有線性關系的感生電勢，可通過感生電勢的脈沖頻率計算風速。

雨量傳感器則利用干簧管吸合的動作產生與降雨量成線性關系的脈沖個數。因此這幾類傳感器都具有相似的原理以及相同的信號采集方法，如圖6。

圖6 脈沖信號流程

圖中過壓保護二極管采用SMCJ6.0CA，光電耦合采用P621，緩沖器為74LV14D。脈沖信號經過壓保護之后從限流電阻到達光電耦合器，被耦合器隔離之后傳輸至緩沖器再與MCU的I/O端口連接。I/O端口配置為無上拉/下拉的懸浮輸入模式，響應頻率為100 MHz，響應上升沿觸發的外部中斷，中斷優先級最高為0。

不同的傳感器信號使用不同的處理程序得到氣象要素測量值。代表風向的7個電平信號被處理器逐一讀取之后，作為7位格雷碼，與存儲在處理器中的格雷碼-風向表對比檢索，得到相對應的風向值。代表風速的脈沖信號則被高速采集，計算每一秒的信號脈沖個數，通過傳感器廠家提供的脈沖頻率與風速的關系式計算所代表的風速值。代表降雨量的脈沖信號則按分鐘計算脈沖個數，通過脈沖頻率與降雨量的關系式計算所代表的降雨量。為了防止高頻干擾，處理器將檢查雨量脈沖高電平的持續時間，只有持續時間為50～150 ms才被認為是正常的干簧管吸合產生的脈沖信號，否則認為是異常信號。根據要求，風向的采樣頻率為1次/秒，風速的采樣頻率為4次/秒。

2.5 氣壓、能見度采集

氣壓和能見度都是智能傳感器，自帶嵌入式處理器，能夠對環境進行自主探測得到基本的采樣數據，因此對這一類傳感器進行數據采集主要是解析智能傳感器的輸出報文，讀取所需要的采樣數據。如圖7所示，傳感器使用RS232標準協議，串口配置參數為9 600波特率，無校驗，8位數據位，1位停止位，即(9600,N,8,1)。按照采集要求的頻率輸出基本的采樣數據，采集器串口通過中斷接收數據，在接收完一次完整報文之后，通知處理器解析報文，并將其中的氣象值讀取出來作為該氣象要素的分鐘采樣值。按照要求，氣壓的采樣頻率為30次/分，能見度的采樣頻率為6次/分。

圖7 智能傳感器數據采集

3 質控和存儲

高速運行的MCU能夠將分鐘采樣頻率提高，樣本數的增加增強了監測數據的代表性。此外，MCU還有更多的時間進行數據的質量控制，提高了監測數據的可靠性和可信性。檢測儀的數據質控分為3個級別：首先檢查各個氣象傳感器采樣數據是否落在傳感器測量范圍之內，超出范圍的數據被剔除，不參與計算氣象瞬時值；其次，對相鄰兩個采樣值的變化幅度進行檢查，按照相關的閾值，剔除掉變化幅度超出允許范圍的采樣值；最后在計算氣象瞬時值之后，再根據相鄰幾分鐘氣象瞬時值的變化幅度，記錄當前計算值的質控碼，以表示本分鐘的氣象瞬時值是可信的、存疑的還是確定異常的。

MCU擴展控制讀寫4 G以上的外部存儲模塊。外部存儲模塊上除了自身壞塊管理數據，需要保存的數據有：臺站參數，包括時間日期、臺站號、通信波特率、傳感器種類、臺站經緯度、主動發送數據間隔等等；分鐘內的采樣數據，包括各種傳感器信號每分鐘的多個采樣值，便于從中發現信號異常原因；分鐘測量數據，即由采樣數據計算得到的每分鐘一份氣象瞬時值。其中絕大部分空間用于分鐘測量數據存儲，按每份數據4 kb計算，4 G容量大約能容納2年的分鐘數據，考慮到壞塊、壞塊備份、臺站參數和采樣數據需要一部分空間，本設計能夠保證1年以上的數據存儲。

4 結果與分析

如圖8為屏幕顯示界面，每分鐘更新一次氣象瞬時值，在調試設備的時候，也可以實時顯示每一次采樣數值，讓現場操作人員能夠馬上發現被監測數據的變化[13]。該顯示屏還兼備觸摸操作功能，可以在屏上直接進入選擇菜單或者參數設置，便于監測儀保存不同的監測站點參數。

圖8 屏幕顯示界面

各測量通道的測試結果如表1所示。

表1 通道測試結果

通道以MCU管腳區分，表中濕度與蒸發采集數據均從PE1輸入MCU。模擬信號采樣通道性能主要取決于A/D采集電路的穩定性和抗干擾能力，16位A/D測量分辨率為5×1/65536 V，在給定已知穩定信號的情況下，采樣擾動平均值為5×3/65536 V，相對于氣溫和濕度的要素分辨率和最大誤差要求，該采樣擾動是可以接受的。基于脈沖計數的I/O采樣中斷設置為100 MHz，按每秒8次的采樣頻率測試誤碼率為0.00003%，即平均連續運行4天出現一個誤碼，考慮到要素采集的要求最多為4次每秒，實際的誤碼率會大幅降低，轉換成要素之后的測試結果最大誤差也是符合要求。串口測試的頻率設置為每分鐘傳輸10次，連續運行7天出現一次誤碼，誤碼率為0.001%，在糾錯和質控的程序后并沒有影響要素的采集和數據的傳輸，滿足采集的要求。

5 結論

本設計在STM32最小系統的基礎上，充分利用MCU的計算能力、存儲能力、高速I/O、中斷管理和擴展串口的功能，增加16位A/D、大容量存儲卡和觸摸顯示屏實現了氣象要素在線監測。由于對傳感器的原理和電氣性能了解得比較詳細，監測儀并沒有發現信號連接方面的問題。各個通道的采樣性能以及氣象要素測量性能均能夠滿足氣象數據在線監測的需要。由于測試條件有限，測試參數和測試數據點不夠全面，考慮將設備送到具有相關資質的氣象檢定部門測試，進一步發現并改善本設計。本設計可以為基于STM32的其他小型環境探測設備的研制提供參考。