多功能低功耗海洋數據采集器的設計

摘要：為了克服國內數據采集器通用性不強，論文以C8051F120為控制核心設計了通用多功能低功耗海洋數據采集器。多功能低功耗海洋數據采集器采用B1203LS非線(xiàn)性變壓模塊，降低了系統的功耗；采用了OCM12864-8液晶顯示設計，實(shí)現了系統的菜單化管理；采用大容量存儲器AT45DB041，可以存儲大量歷史數據；并提供了RS232接口可以實(shí)現遠程有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)傳輸。整個(gè)系統有體積小、功耗低、太陽(yáng)能供電的特點(diǎn)，完全達到設計要求，有較大的實(shí)用價(jià)值和應用前景。
關(guān)鍵詞：采集器；低功耗；C8051F120；海洋氣象

國產(chǎn)海濱觀(guān)測站所采用的數據采集器大多與相應的海濱觀(guān)測站配套使用，當需要擴充海濱觀(guān)測站觀(guān)測功能，增加新的觀(guān)測要素傳感器時(shí)，不能直接進(jìn)行升級，必須更換，從而造成重復建設和資源浪費。根據這一情況，改進(jìn)和完善數據采集器，對于提高海濱觀(guān)測站的擴展性和通用性具有重要意義，同時(shí)這也是國際上海濱觀(guān)測站在擴展觀(guān)測要素、提高系統開(kāi)放性方面的趨勢之一。
在硬件上實(shí)現通用，只需要修改配置文件，就可以實(shí)現氣象和水文采集器的互換使用。這樣可以大大簡(jiǎn)化系統維護工作，提高觀(guān)測效率。同時(shí)論文基于一種低功耗單片機的海洋數據采集器，采用RS232接口實(shí)時(shí)接受和發(fā)送數據，配有大容量存儲器，支持無(wú)線(xiàn)數據傳輸及日歷時(shí)鐘，可以長(cháng)期獨立工作在無(wú)人值守的野外觀(guān)測記錄。論文還在開(kāi)發(fā)時(shí)候考慮到海洋環(huán)境和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，做到了防腐蝕、低功耗、低成
本、太陽(yáng)能供電。

1 系統整體功能設計
系統要分別對氣壓、氣溫、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進(jìn)行采集。根據對各種要素的觀(guān)測要求選擇合適的傳感器，目前市面上的主流傳感器接口輸出信號有4～20 mA電流模擬信號、電壓模擬信號、脈沖信號、串口信號等。本設計根據所采集的數據種類(lèi)和選用的傳感器接口類(lèi)型，設計了3類(lèi)信號接收端：脈沖信號，RS232串口信號，模擬信號。傳感器信號經(jīng)信號調理電路傳輸至外擴A／D轉換電路，經(jīng)A／D轉換后進(jìn)入單片機。單片機對信號進(jìn)行濾波、添加時(shí)間標簽等數據處理后，作為控制核心將數據存入FLASH存儲器，同時(shí)監聽(tīng)上位機指令，準備將數據通過(guò)串口發(fā)送GPS模塊實(shí)現上位機通信并完成鍵盤(pán)設置和液晶顯示控制。采集器長(cháng)期工作在無(wú)人看守狀態(tài)下，因此設計了程序故障后自動(dòng)硬件復位模塊。系統總體方案框圖如圖1所示。

MCU模塊作為整個(gè)采集器的控制核心，主要完成信號的多路采集、軟件濾波、數據運算、上位機指令監聽(tīng)、數據傳輸、數據存儲、液晶顯示和鍵盤(pán)等控制功能。
信號輸入模塊主要功能是：將分別對氣壓、氣溫、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進(jìn)行采集的信號進(jìn)行調理后進(jìn)MCU。
串行通信模塊實(shí)現上位機與下位機的相互通信，上位機可以通過(guò)發(fā)送指令選擇下位機工作在氣象或水文模式。上位機還可以通過(guò)指令修改下位機系統時(shí)間。
為了安裝和調試方便，系統設計了液晶和鍵盤(pán)模塊。該模塊用來(lái)完成采集器工作模式的選擇；系統時(shí)鐘的設定；水文或氣象參數的最大值和最小值的設定。
其他外設包括：看門(mén)狗模塊、FLASH存儲模塊和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。硬件看門(mén)狗模塊能夠使程序故障后自動(dòng)恢復系統正常工作狀態(tài)。本設計要求數據存儲量大，因此使用擴展外部FLASH存儲模塊。數據傳輸格式要求，用時(shí)間來(lái)標記不同時(shí)刻的數據，因此采集器應有實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。
采集器有可能工作在沒(méi)有交流電源的工作場(chǎng)合，本設計用12 V太陽(yáng)能電池供電。