海洋水文气象综合数据采集器的研制

摘要：针对海洋环境监测工作的实际需要，以高性能单片执C8051F120为核心研制了一种海洋水文气象综合数据采集器。采集器采用成熟的工业级集成电路芯片和元器件、配备X5043看门狗芯片，保证了系统可靠性和稳定性；采用交流电和太阳能电池双供电模式，应用B1203LS有效降低了系统功耗；配备有线／无线通讯接口，实现数据的远程传输。现场应用表明，其运行稳定可靠、维护管理简单，具有较大的实用价值和应用前景。
关键词：海洋水文气象；数据采集器；C8051F120；软件设计

    海洋数据采集器的基本任务是获取气温、气压、潮位、水温、波浪、海流等海洋要素信息，是海洋环境监测系统的重要组成部分和关键设备。此前一般按照其采集要素的类型划分为水文采集器和气象采集器两大类，并分类进行研发和应用；该方式人为将其分得过细，存在研发效率低、研制成本高、后期维护和管理繁琐等诸多弊端，为此笔者以高性能单片机C8051F120为校心器件研制了一种适用于水文和气象两类要素信息检测的综合型海洋信息数据采集器，其提供有线和无线两种通讯接口，适用于海岸、岛屿、平台、船舶等多类站点的监测。

1 总体设计
    采集器用于完成海洋气压、气温、湿度、降水、风速、风向等气象要素和潮汐、水温、盐度等水文要素信息的采集。现场传感器或检测仪表负责各种海洋信息的检测，将参数物理量转换成电信号输出，是采集器的信号输入前端；虽然各种海洋参数检测传感器的工作原理各不相同、结构也多种多样，但其输出信号无非是数字信号(RS232)、模拟信号或脉冲信号。采集器的信号接口及通讯接口设置需要与传感器的信号输出形式相匹配才能完成数据采集功能，是实现采集器通用性的关键因素之一，为此综合数据采集器设置了3类信号接收接口：RS232串口、模拟信号接口和脉冲信号接口。

    采集器总体结构如图1所示。MCU模块(单片机)作为整个采集器的控制核心，负责完成信号的多路采集、软件滤波、数据运算、上位机指令监听，数据传输、数据存储、液晶显示和键盘操作等控制功能。信号输入模块负责采集和调理各类水文气象要素信息信号，然后将其送往MCU。单片机对输入信号进行集中采集和处理后为每个数据都加上时间标签，然后将其以记录的形式存入FLASH存储器；单片机实时监听上位机指令，并通过有线或无线通信接口向上位机传输数据。
    通信接口实现上位机与下采象器的相互通信，上位机可以通过发送指令选择采集器工作在水文采集还是气象采集模式之下，上位机也可以通过指令修改采集器的系统时间。
    为了安装和调试方便，系统设计了液晶和键盘模块，用来快捷完成采集器工作模式的选择、系统时钟的设定、水文或气象参数的最大值和最小值设定等功能。
    其他外设包括硬件看门狗模块、FLASH存储模块、实时时钟模块和供电电源模块四个部分。由于采集器需要长期工作在无人看守的场合，为此需要设计硬件看门狗模块，当单片机死机或程序跑飞时自动重启采集器的软硬件系统。采集器的数据存储量较大，因此设置了外部FLASH存储模块。数据传输格式要求用时间来标记不同时刻的数据，因此设置了实时时钟模块。采集器有可能工作在没有交流电源的工作场合，为此设置了交流电源供电和12V太阳能电池供电的双供电电路。

2 硬件电路设计与实现
2．1 信号输入接口设计
    RS232信号(如激光测距传感器或温盐传感器的输出信号)经过MAX232进行电平转化后，进入外扩串口芯片ST16C554D，然后进入MCU。模拟信号(如气压传感器、湿温传感器或风向传感器的输出信号)经16位A／D转换芯片MAX1168转换之后进入MCU。为防止高强度干扰损坏单片机，在信号进入单片机之前经过压保护电路和光电隔离电路进行电平转换和隔离。
2．2 单片机选型
    单片机核心控制模块由C8051F120单片机最小系统和键盘／液晶显示电路构成。C8051F系列单片机是Silicone Laboratories公司生产的低功耗混合信号片上系统型MCU，其精简了指令集，大多数指令可以在一个时钟周期内完成。C8051F120单片机具有100MIPS的处理峰值、128 kB的FLASH存储器、8448B的RAM、可外接存储器、具有12位A／D(转换峰值可达100 ksps)、64个I／O端口。为了方便野外安装和设备测试，设计了键盘和液晶显示模块。采集器选用OCM12864-8型液晶显示模块，其与单片机连接只需5根数据线，其内置字库，可以轻松显示中／英文文字、数字和简单的图片信息。
2．3 外扩存储芯片选型
    数据存储时，每分钟数据以一条记录时形式存入文件。测量数据以ASCII字符存储，各要素数据按照读取配置文件时得到的要素顺序排列，并在记录前面加上采集时间。
    系统选用ATMEL公司生产的新型FLASH芯片AT45DB041D作为C8051F120的外部扩展存储芯片，其采用8脚的SOIC封装，具有容量大、读写速度快、外围电路少等诸多优点，更为重要的是该芯片可最低工作在2．5 V，工作电流仅为4 mA，功耗较小。AT45DB041D与C8051F120连接如图2所示。

2. 4 时钟芯片选型及看门狗电路设计
    系统选用DS1305实时时钟芯片，其通过SPI总线与C8051F120相连。采集器设置了看门狗电路，选用INTERSIL公司生产的X5043型看门狗芯片，其具有上电复位、高电压复位功能，内置可编程看门狗定时器、4Kbit3-WIRE接口非易失牲ERPROM。在采集器的工作过程中，如果MCU或外设失效，导致系统“死锁”或者“跑飞”，看门狗定时器自动激活X5043的RESET引脚，停止MCU的工作，200ms后重新启动单片机进行工作。外部扩展存储芯片、时钟芯片、看门狗芯片均以SPI总线形式与单片机进行通信，节省了单片机的管脚资源。
2．5 供电电路设计
    采集器采用双供电模式，即交流电源供电和太阳能电池供电。交流电源通过工业级AC／DC模块LH10-10B09转化为直流输入，经各种稳压芯片转换为各个模块所需的供电电压。12 V太阳能电池在交流电源掉电时为系统供电。系统采用B1203LS非线性变压模块，转化效率高达80％、功耗低。经测试B1203LS为采集器提供12V工作电压时，电流仅为80mA，功率仅为0．96W。

3 采集器软件设计与开发
    采集器软件采用自顶向下和模块化方法进行设计。核心器件C8051F120单片机以中断工作方式为主、以查询工作方式为辅，用中断方式进行数据采集和响应上位机命令、用查询方式对数据信息进行存储。系统上电后首先初始化各个模块，然后启动硬件看门狗，接着等待定时器中断进行数据采集并等待上位机命令，之后查询一分钟时间是否到，如果一分钟时间到则处理并存储采集到的数据。采集器软件流程如图3所示。

4 现场应用
    海洋环境监测自动化系统一般由系统上位机和现场采集设备两部分组成，其结构如图4所示。
    现场采集设备安装在各个监测站点，包括数据采集器、要素传感器及其它附属设备。数据采集器读取传感器输出信号，经过处理得到测量值，完成单个站点的数据采集，是上位机系统的前端设备和数据来源，也是整个系统的核心部件。根据监测站点的类型(岸基监测台站、近海观测岛屿、综合观测平台、移动监测船舶等)和监测现场的具体设施条件，采集器有选择的通过有线或无线通讯方式接入专网与上位机进行通讯，上位机通过配套软件程序读取各测点采集器中的测量数据信息，完成对现场海洋环境参数的实时监测。现场数据比对表明，水文气象综合采集器的测量值误差均小于0．1％，满足海洋观测现场对各观测要素的测量精度要求。

5 结束语
    针对海洋环境监测工作的实际需要，以高性能单片机C8051F120为核心器件研制了一种接口功能强大、应用现场广泛的海洋水文气象综合数据采集器。采集器配备大容量存储芯片，支持有线／无线数据传输，配备液晶／键盘和日历时钟，可以通过太阳能电池供电，可以长期独立工作在无人值守的观测现场；采用成熟的工业级集成电路芯片和元器件，保证了系统可靠性，适用于恶劣的海洋环境监测现场；配备看门狗，在系统断电、意外死机或程序跑飞等故障发生时自动重启，保证软件的稳定运行；通过修改配置文件，就可以实现水文和气象采集器的互换使用；有线／无线通讯接口的设置扩大了采集器的兼容性、弱化了现场安装条件，使其适用于海岸、岛屿、平台、船舶等多类监测靖点。目前已经有多套采集器在国家海洋局东海分局现场投入使用，现场应用表明，其安装方便、使用灵活、运行稳定可靠、维护管理简单，较好的完成了预期数据采集功能，具有较大的实用价值和应用前景。