多功能低功耗海洋数据采集器的设计

摘要：为了克服国内数据采集器通用性不强，论文以C8051F120为控制核心设计了通用多功能低功耗海洋数据采集器。多功能低功耗海洋数据采集器采用B1203LS非线性变压模块，降低了系统的功耗；采用了OCM12864-8液晶显示设计，实现了系统的菜单化管理；采用大容量存储器AT45DB041，可以存储大量历史数据；并提供了RS232接口可以实现远程有线或者无线传输。整个系统有体积小、功耗低、太阳能供电的特点，完全达到设计要求，有较大的实用价值和应用前景。
关键词：采集器；低功耗；C8051F120；海洋气象

国产海滨观测站所采用的数据采集器大多与相应的海滨观测站配套使用，当需要扩充海滨观测站观测功能，增加新的观测要素传感器时，不能直接进行升级，必须更换，从而造成重复建设和资源浪费。根据这一情况，改进和完善数据采集器，对于提高海滨观测站的扩展性和通用性具有重要意义，同时这也是国际上海滨观测站在扩展观测要素、提高系统开放性方面的趋势之一。
在硬件上实现通用，只需要修改配置文件，就可以实现气象和水文采集器的互换使用。这样可以大大简化系统维护工作，提高观测效率。同时论文基于一种低功耗单片机的海洋数据采集器，采用RS232接口实时接受和发送数据，配有大容量存储器，支持无线数据传输及日历时钟，可以长期独立工作在无人值守的野外观测记录。论文还在开发时候考虑到海洋环境和产品开发成本，做到了防腐蚀、低功耗、低成
本、太阳能供电。

1 系统整体功能设计
系统要分别对气压、气温、湿度、降水、风速、风向等气象要素和潮汐、水温、盐度等水文要素进行采集。根据对各种要素的观测要求选择合适的传感器，目前市面上的主流传感器接口输出信号有4～20 mA电流模拟信号、电压模拟信号、脉冲信号、串口信号等。本设计根据所采集的数据种类和选用的传感器接口类型，设计了3类信号接收端：脉冲信号，RS232串口信号，模拟信号。传感器信号经信号调理电路传输至外扩A／D转换电路，经A／D转换后进入单片机。单片机对信号进行滤波、添加时间标签等数据处理后，作为控制核心将数据存入FLASH存储器，同时监听上位机指令，准备将数据通过串口发送GPS模块实现上位机通信并完成键盘设置和液晶显示控制。采集器长期工作在无人看守状态下，因此设计了程序故障后自动硬件复位模块。系统总体方案框图如图1所示。

MCU模块作为整个采集器的控制核心，主要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、液晶显示和键盘等控制功能。
信号输入模块主要功能是：将分别对气压、气温、湿度、降水、风速、风向等气象要素和潮汐、水温、盐度等水文要素进行采集的信号进行调理后进MCU。
串行通信模块实现上位机与下位机的相互通信，上位机可以通过发送指令选择下位机工作在气象或水文模式。上位机还可以通过指令修改下位机系统时间。
为了安装和调试方便，系统设计了液晶和键盘模块。该模块用来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的设定。
其他外设包括：看门狗模块、FLASH存储模块和实时时钟模块。硬件看门狗模块能够使程序故障后自动恢复系统正常工作状态。本设计要求数据存储量大，因此使用扩展外部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，因此采集器应有实时时钟模块。
采集器有可能工作在没有交流电源的工作场合，本设计用12 V太阳能电池供电。

2 系统硬件设计
根据系统整体功能，系统硬件包括：输入信号接口模块、单片机核心控制模块、数据存储模块、时钟模块、看门狗模块、串行通信模块和电源模块。
2．1 输入信号接口设计
采集器接收从风速风向传感器和雨量传感器传来的两路脉冲信号包括：0～1 kHz方波的风速频率信号和降雨脉冲信号。两路输入信号进行信号调理电路，调理成可以进入单片机的0～3．3 V电压信号进入MCU。采集器要接收从气压传感器、湿温传感器和风向传感器输入的四路模拟信号。本设计A／D模块使用外接16位的A／D转换芯片MAX1168。四路模拟信号进入AD后转换成数字量，经信号调理电路转换成0～3．3 V电压信号进入MCU。采集器将激光测距传感器和温盐传感器输入的两路RS232信号经过MXA232电平转化后，进入外扩串口芯片ST16C554D，然后进入MCU。为防止高强度干扰损坏单片机，文中设计了光电隔离电路。输入信号逻辑框图如图2所示。

2．2 单片机核心控制模块
单片机核心控制模块的设计主要包括C8051F020单片机的最小系统、键盘及液晶显示电路的设计。C8051F系列单片机是Silicone Labora tories公司生产的低功耗混合信号片上系统型MCU，精简指令集结构，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且转换峰值可达100ksps、64个I／O端口。因此选用C8051F1 20作为整个采集器的控制核心。为了方便野外安装、调试设备，设计了键盘和液晶显示模块。液晶显示模块选择OCM12864-8，与单片机连接只需5根数据线，操作方便，内置字库，可以轻松显示中文、图画、数字、英文等信息。
2．3 数据存储接口设计
数据存储时，每分钟数据以一条记录的形式存入文件。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。选择的存储芯片AT45DB041，采用8脚的SOIC封装。AT45DB041是ATMEL公司的新型FLASH芯片，该芯片具有容量大、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，因此在移动通信、便携场合得到了广泛的应用。数据存储接口逻辑如图3所示。