海洋水文氣象綜合數(shù)據(jù)采集器的研制

摘要：針對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際需要，以高性能單片執(zhí)C8051F120為核心研制了一種海洋水文氣象綜合數(shù)據(jù)采集器。采集器采用成熟的工業(yè)級(jí)集成電路芯片和元器件、配備X5043看門狗芯片，保證了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性；采用交流電和太陽能電池雙供電模式，應(yīng)用B1203LS有效降低了系統(tǒng)功耗；配備有線／無線通訊接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，其運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)管理簡單，具有較大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：海洋水文氣象；數(shù)據(jù)采集器；C8051F120；軟件設(shè)計(jì)

海洋數(shù)據(jù)采集器的基本任務(wù)是獲取氣溫、氣壓、潮位、水溫、波浪、海流等海洋要素信息，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分和關(guān)鍵設(shè)備。此前一般按照其采集要素的類型劃分為水文采集器和氣象采集器兩大類，并分類進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用；該方式人為將其分得過細(xì)，存在研發(fā)效率低、研制成本高、后期維護(hù)和管理繁瑣等諸多弊端，為此筆者以高性能單片機(jī)C8051F120為校心器件研制了一種適用于水文和氣象兩類要素信息檢測(cè)的綜合型海洋信息數(shù)據(jù)采集器，其提供有線和無線兩種通訊接口，適用于海岸、島嶼、平臺(tái)、船舶等多類站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。

1 總體設(shè)計(jì)
采集器用于完成海洋氣壓、氣溫、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素信息的采集?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器或檢測(cè)儀表負(fù)責(zé)各種海洋信息的檢測(cè)，將參數(shù)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，是采集器的信號(hào)輸入前端；雖然各種海洋參數(shù)檢測(cè)傳感器的工作原理各不相同、結(jié)構(gòu)也多種多樣，但其輸出信號(hào)無非是數(shù)字信號(hào)(RS232)、模擬信號(hào)或脈沖信號(hào)。采集器的信號(hào)接口及通訊接口設(shè)置需要與傳感器的信號(hào)輸出形式相匹配才能完成數(shù)據(jù)采集功能，是實(shí)現(xiàn)采集器通用性的關(guān)鍵因素之一，為此綜合數(shù)據(jù)采集器設(shè)置了3類信號(hào)接收接口：RS232串口、模擬信號(hào)接口和脈沖信號(hào)接口。

采集器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。MCU模塊(單片機(jī))作為整個(gè)采集器的控制核心，負(fù)責(zé)完成信號(hào)的多路采集、軟件濾波、數(shù)據(jù)運(yùn)算、上位機(jī)指令監(jiān)聽，數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示和鍵盤操作等控制功能。信號(hào)輸入模塊負(fù)責(zé)采集和調(diào)理各類水文氣象要素信息信號(hào)，然后將其送往MCU。單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行集中采集和處理后為每個(gè)數(shù)據(jù)都加上時(shí)間標(biāo)簽，然后將其以記錄的形式存入FLASH存儲(chǔ)器；單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)聽上位機(jī)指令，并通過有線或無線通信接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。
通信接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下采象器的相互通信，上位機(jī)可以通過發(fā)送指令選擇采集器工作在水文采集還是氣象采集模式之下，上位機(jī)也可以通過指令修改采集器的系統(tǒng)時(shí)間。
為了安裝和調(diào)試方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了液晶和鍵盤模塊，用來快捷完成采集器工作模式的選擇、系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定、水文或氣象參數(shù)的最大值和最小值設(shè)定等功能。
其他外設(shè)包括硬件看門狗模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和供電電源模塊四個(gè)部分。由于采集器需要長期工作在無人看守的場(chǎng)合，為此需要設(shè)計(jì)硬件看門狗模塊，當(dāng)單片機(jī)死機(jī)或程序跑飛時(shí)自動(dòng)重啟采集器的軟硬件系統(tǒng)。采集器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大，因此設(shè)置了外部FLASH存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)傳輸格式要求用時(shí)間來標(biāo)記不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)，因此設(shè)置了實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。采集器有可能工作在沒有交流電源的工作場(chǎng)合，為此設(shè)置了交流電源供電和12V太陽能電池供電的雙供電電路。