基于DSP的小型氣象站的硬件設計

摘要: 針對大氣參數測量的要求與測量方法，結合DSP 的工作原理，研究了DSP 在大氣參數測量系統的應用。提出了一種測量大氣參數的設計，通過(guò)硬件設計和軟件設計，結合DSP 開(kāi)發(fā)調試環(huán)境，設計出能測量風(fēng)向、風(fēng)速、大氣溫度、大氣濕度和大氣氣壓等大氣參數的小型氣象站。通過(guò)對設計的樣機進(jìn)行測試，在大氣參數的測量范圍、分辨率和精度方面基本滿(mǎn)足小型氣象站的要求。由于DSP 自身的優(yōu)點(diǎn)，使得設計的小型氣象站還具有便攜性、功耗低、實(shí)時(shí)測量和抗干擾能力強等特點(diǎn)。

0 引言

　　用來(lái)進(jìn)行大氣參數測量的小型氣象站廣泛應用于氣象服務(wù)、大氣實(shí)驗、通信和農業(yè)等領(lǐng)域，測量的大氣參數主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、大氣濕度、大氣溫度和大氣壓力等。由于大氣參數的自身特點(diǎn)，使得小型氣象站在便于攜帶、實(shí)時(shí)測量、功耗和抗干擾能力等方面的有較高的要求。在數字信號處理器( digital signal processor，DSP) 出現之前，小型氣象站主要是以MCS—51 單片機為核心的數據采集和處理系統，面對大量的氣象數據，單片機數據快速處理能力的不足暴露了出來(lái)，而DSP 因為其自身的硬件結構使得它能夠快速進(jìn)行數據處理，彌補了單片機的不足?；贒SP 的小型氣象站是結合了DSP 的工作原理、大氣參數的測量方法和小型氣象站的自身特點(diǎn)而提出的一種新設計，能夠進(jìn)行大氣參數的實(shí)時(shí)測量，并具有了功耗低、便攜性好和抗干擾能力強的特點(diǎn)。

　　1 氣象站工作原理和硬件框圖

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

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

　　傳感器的輸出因為其工作原理不同而不同，本文根據實(shí)際選擇的傳感器設計了不同的信號調理電路，對傳感器的輸出有針對性的進(jìn)行濾波，I /V 變換，脈沖穩幅和電壓放大等不同形式的調理，使得傳感器的輸出經(jīng)信號調理電路之后滿(mǎn)足DSP芯片上A / D轉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 系統主要進(jìn)行模擬量輸入通道選擇，A/D 轉換，信號處理，對氣象站其他組成部分的控制以及和上位機進(jìn)行串行通信。

　　電源模塊為DSP 系統和氣象站其他組成部分提供穩定的直流電壓。

　　2 傳感器與信號調理電路

　　2．1 風(fēng)速傳感器與信號調理電路

　　風(fēng)速反映了大氣的流動(dòng)程度，具有很大的隨機性。小型氣象站常用于測量近地面風(fēng)速，測量范圍為1～ 60 m/s，分辨率為0． 5 m/s，精度為± 5 %。根據風(fēng)速測量的特點(diǎn)和要求，本文選用了紅外光電開(kāi)關(guān)式風(fēng)速傳感器和脈沖幅值穩定調理電路來(lái)實(shí)現把風(fēng)速轉換成單位時(shí)間脈沖輸出個(gè)數的任務(wù)，原理圖如圖2 所示。

　　在距離風(fēng)輪中心為r 的位置刻有一個(gè)遮光塊，在風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)輪以中心軸線(xiàn)為中心旋轉時(shí)，風(fēng)輪每旋轉一周，遮光塊經(jīng)過(guò)紅外光源和紅外探測器所在的水平線(xiàn)上一次。當遮光塊經(jīng)過(guò)紅外光源和紅外探測器所在的水平線(xiàn)時(shí)，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(gè)脈沖電流，風(fēng)速v 與單位時(shí)間內電流脈沖個(gè)數N 呈正比關(guān)系。

　　信號調理電路把紅外探測器輸出的微弱電流進(jìn)行放大后進(jìn)行I /V 變換，然后，再對電壓脈沖的幅值進(jìn)行穩幅處理后送入DSP 系統，進(jìn)行數據處理。