基于DSP的小型氣象站的硬件設計方案

　　用來進行大氣參數(shù)測量的小型氣象站廣泛應用于氣象服務、大氣實驗、通信和農(nóng)業(yè)等領域，測量的大氣參數(shù)主要包括風速、風向、大氣濕度、大氣溫度和大氣壓力等。由于大氣參數(shù)的自身特點，使得小型氣象站在便于攜帶、實時測量、功耗和抗干擾能力等方面的有較高的要求。在數(shù)字信號處理器（ digitalsignal processor，DSP） 出現(xiàn)之前，小型氣象站主要是以MCS—51 單片機為核心的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，面對大量的氣象數(shù)據(jù)，單片機數(shù)據(jù)快速處理能力的不足暴露了出來，而DSP 因為其自身的硬件結(jié)構(gòu)使得它能夠快速進行數(shù)據(jù)處理，彌補了單片機的不足?；贒SP 的小型氣象站是結(jié)合了DSP 的工作原理、大氣參數(shù)的測量方法和小型氣象站的自身特點而提出的一種新設計，能夠進行大氣參數(shù)的實時測量，并具有了功耗低、便攜性好和抗干擾能力強的特點。

　　1 氣象站工作原理和硬件框圖

　　進行大氣參數(shù)測量的氣象站主要由傳感器、信號調(diào)理電路、DSP 系統(tǒng)和電源模塊4 部分組成，如圖1 所示。

　　由于所測的大氣參數(shù)都是非電量，而測量結(jié)果是建立在對電信號進行處理得到，所以，在氣象站中針對每一個大氣參數(shù)都采用了相應的傳感器進行非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

　　傳感器的輸出因為其工作原理不同而不同，本文根據(jù)實際選擇的傳感器設計了不同的信號調(diào)理電路，對傳感器的輸出有針對性的進行濾波，I /V 變換，脈沖穩(wěn)幅和電壓放大等不同形式的調(diào)理，使得傳感器的輸出經(jīng)信號調(diào)理電路之后滿足DSP芯片上A / D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬電壓的范圍或者I /O 端口的電平要求。

　　DSP 系統(tǒng)由DSP 芯片，DSP 外圍復位電路、振蕩電路、復位電路和串行通信口組成。DSP 系統(tǒng)主要進行模擬量輸入通道選擇，A/D 轉(zhuǎn)換，信號處理，對氣象站其他組成部分的控制以及和上位機進行串行通信。

　　電源模塊為DSP 系統(tǒng)和氣象站其他組成部分提供穩(wěn)定的直流電壓。

　　2 傳感器與信號調(diào)理電路

　　2． 1 風速傳感器與信號調(diào)理電路

　　風速反映了大氣的流動程度，具有很大的隨機性。小型氣象站常用于測量近地面風速，測量范圍為1～ 60 m/s，分辨率為0． 5 m/s，精度為± 5 %。根據(jù)風速測量的特點和要求，本文選用了紅外光電開關式風速傳感器和脈沖幅值穩(wěn)定調(diào)理電路來實現(xiàn)把風速轉(zhuǎn)換成單位時間脈沖輸出個數(shù)的任務，原理圖如圖2 所示。

　　在距離風輪中心為r 的位置刻有一個遮光塊，在風帶動風輪以中心軸線為中心旋轉(zhuǎn)時，風輪每旋轉(zhuǎn)一周，遮光塊經(jīng)過紅外光源和紅外探測器所在的水平線上一次。當遮光塊經(jīng)過紅外光源和紅外探測器所在的水平線時，紅外光源發(fā)出的光被遮光塊阻擋，不能照射在紅外探測器上，紅外探測器輸出一個脈沖電流，風速v 與單位時間內(nèi)電流脈沖個數(shù)N 呈正比關系。

　　信號調(diào)理電路把紅外探測器輸出的微弱電流進行放大后進行I /V 變換，然后，再對電壓脈沖的幅值進行穩(wěn)幅處理后送入DSP 系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)處理。

　　2． 2 風向傳感器與信號調(diào)理電路

　　在風向測量中，采用了精密電位器式傳感器把風向變化轉(zhuǎn)換成電阻變化，電阻與風向滿足正比例關系，然后，經(jīng)過直流四臂電橋轉(zhuǎn)換電路再把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，由于電壓比較小，所以，還需要利用放大電路放大到A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的電壓范圍，然后，經(jīng)多路選擇器后進入A/D 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進入DSP 系統(tǒng)。

　　風向測量原理框圖如圖3 所示。

　　本設計選用了Met one 公司的020C 型電位器式風向傳感器，該傳感器的測量范圍為0°～ 360°，精度為± 2°，分辨率為± 0． 2°。020C 型電位器式風向傳感器有一個自重很輕的機翼形風向標，它直接和一個精密電位器相連，對應于0°～ 360°的風向，輸出電壓為0～ 5 V，經(jīng)電壓調(diào)理電路之后，可直接進入DSP 系統(tǒng)進行A/D 轉(zhuǎn)換。

　　2． 3 溫濕度傳感器與信號調(diào)理電路

　　本設計選用了瑞士Rotronic 公司型號為HygroClip s 3的空氣溫濕度傳感器。該溫濕度傳感器內(nèi)部集成了鉑電阻溫度傳感器和電容式濕度傳感器。溫度測量范圍為－ 40～60℃，精度為± 0． 3 ℃; 相對濕度測量范圍為0 %～100 %RH，精度為± 1． 5 % RH，溫濕度傳感器采用+ 5 V 直流電源供電，在溫濕度測量范圍內(nèi)可以輸出0～ 1 V 的模擬電壓。溫濕度測量原理框圖如圖4 所示。

　　2． 4 大氣壓力傳感器與信號調(diào)理電路

　　在小型氣象站中，大氣壓力的測量范圍為800 ～1 080 hPa，分辨率為0． 1 hPa，精度為± 1． 0 hPa。本設計選用了電容式大氣壓力傳感器CS106 實現(xiàn)把大氣壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出。CS106 傳感器是Vaisala 公司的硅電容大氣壓力傳感器。大氣壓力測量原理框圖如圖5 所示。

　　3 DSP 系統(tǒng)

　　DSP 系統(tǒng)主要由DSP 芯片，按鍵電路、復位電路、晶振電路和串行通信電路組成。

　　3． 1 DSP 芯片選型

　　在氣象站中，DSP 的主要作用是數(shù)據(jù)采集、通道選擇和模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示及系統(tǒng)控制。本文根據(jù)應用要求和DSP 芯片特點選用了美國TI 公司的型號為TMS320LF2402A 的DSP 芯片，該DSP 芯片采用了CMOS 工藝，供電電壓僅為3． 3 V，減小了系統(tǒng)功耗; 片內(nèi)有32 k 字的FLASHROM，1 ． 5 k 字的RAM; 看門狗定時器; 8 通道的10位A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為375 ns; 2 個16 位通用定時器和串行通信接口等片上外圍電路。

　　3． 2 電源電路、復位電路和時鐘電路

　　DSP 系統(tǒng)電源電路、復位電路和時鐘電路原理圖如圖6所示。

　　TMS320LF2402A 工作時的內(nèi)核電壓和I /O 緩沖器電壓都為3． 3 V，本設計采用了TI 公司的TPS7333 電路轉(zhuǎn)換芯片，把由電源模塊提供的5 V 電壓轉(zhuǎn)換成3． 3 V。另外，結(jié)合TPS7333 具有的上電復位功能，設計了DSP 芯片的復位電路。設計了外部時鐘電路，采用頻率為20 MHz 的有源石英晶體振蕩器，結(jié)合內(nèi)部鎖相環(huán)進行二倍頻之后為DSP芯片提供40 MHz 的時鐘信號。

　　3． 3 串行通信接口電路

　　TMS320LF2402A 片內(nèi)有SCI 串行口，可以方便地與計算機上的RS—232 串行口連接進行通信，把測量結(jié)果顯示在上位機上。由于PC 機的RS—232C 電平與DSP 的TTL 電平不一致，就必須在兩者之間進行電平和邏輯關系的變換。

　　本設計采用MAXIM 公司的MAX232 實現(xiàn)兩者間的轉(zhuǎn)換，電路原理圖如圖7 所示。

　　4 實驗結(jié)果

　　通過硬件設計和軟件設計，制成了小型氣象站樣機，實驗之后的結(jié)果如表1 所示。

　　根據(jù)實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該小型氣象站基本滿足野外大氣實驗大氣參數(shù)測量的要求。

　　5 結(jié)論

　　本設計根據(jù)大氣參數(shù)的測量要求和測量方法，結(jié)合DSP 的工作原理，設計了一個小型氣象站的硬件系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明： 該系統(tǒng)滿足大氣測量的基本要求，可以作為一個小型氣象站使用。