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摘 要：针对传统型气象数据采集系统存在扩展性和通用性较差的问题，根据不同气象传感器输出电信号的特征，提出模块化结构的多通道通用气象数据采集系统。系统采用低功耗单片机和CPLD架构，通过多路模拟开关，数字端口，内置增益可控信号放大电路和控制器，分别对气象传感器输出的模拟和数字信号进行采集和处理；可根据需求配置多路采集通道，采集数据可通过串口传送给上位机。利用高精度JJQ1气象信号模拟器和61/2位万用电表搭建实验平台对系统进行测试。数据表明，系统具有测量准确度高、通道可配置、扩展性强的特点，还可用于其他领域的多通道信号采集。
关键词：数据采集；模块化；多通道；气象传感器
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）08-0068-05
0 引 言
随着气象产业快速发展，人们对气象数据采集系统的成本、准确度、功耗等标准要求也越来越高；社会需求的增加，促使我国气象观测技术快速发展[1]。国外气象数据采集系统如DT80、DT85以及CR1000系列等具有良好的灵活性、自主性、兼容性。国内传统型气象数据采集系统虽然已经应用于自动气象站，但跟国外相比，依然存在着差距；比如系统拓展能力有限，采集接口无法通用，气象要素采集单一等。
利用MSP430F149和EPM570T100C5N设计一种高准确度、多通道、兼容性强的气象数据采集系统。将硬件电路各功能模块化；采集接口采用通用性设计，可以适合各种模拟信号输入。数字信号与模拟信号分别用EPM570T100C5N与MSP430F149采集；为降低系统功耗，将MSP430F149作为主控制器。
1 系统结构
系统通过处理气象传感器输出的电信号来完成温度、 湿度、气压、雨量、辐射、蒸发、风速、风向的测量[2]。常用气象传感器输出信号类型、电信号和气象量之间的函数关系如表1所示。其中气压传感器PTB220输出信号既可以是电压形式，也可以是RS232或者RS485形式。
对于模拟信号，通过信号调理电路、模拟开关和A/D转换电路处理，由MSP430F149单片机完成采集；数字信号经EPM570T100C5N采集后将数据发送至MSP430F149，由MSP430F149进一步处理。气压传感器输出的RS232信号可以直接由MSP430F149采集。系统将处理后的气象数据通过显示模块实时显示，或通过串口将气象数据传送给上位机[3]，由上位机进行显示、存盘等[4]。工作方案如图1所示。
2 硬件电路设计
系统硬件电路包括模拟信号采集电路、数字信号采集电路、显示模块、通信接口电路。
2.1 模拟信号采集电路
2.1.1 模拟信号采集接口
每个模拟信号采集接口端有4个接线通道，分别为E、H、L、C。各通道功能为：
1）E通道提供触发源。
2）H通道和L通道是信号输入通道，可以采用差分输入，从而提高准确度。
3）C通道是接地通道。
采集接口适合电压、电流、电阻信号的输入。
2.1.2 温度测量电路
温度传感器一般采用PT100，根据PT100阻值与温度变化成正比的关系，确定温度[5]，测温电路如图2所示。测温时，AD7793的IOUT1引脚输出电流设置为1 mA，IOUT1与通用接口的E通道相连，为PT100提供电流源[6]。电流通过R1与一个低温漂、高精度参考电阻R2。AD7793的测量通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，REFIN-）分别测量R1与R2两端的电压V1、V2；由于R1与R2两端电压已知，通过R1与R2的电流相同，根据式（1）：
2.1.3 蒸发、湿度、辐射、气压的测量
蒸发传感器输出电流量，要进行I-V转换才可以完成测量；湿度、辐射、气压传感器输出电压量。在进行A/D转换之前要根据各传感器输出信号的特点，以及ADC参考电压范围，设计信号调理电路。
信号调理电路由集成单电源仪表放大器AD627[7]和轨道精密运算放大器TLV2461组成。
AD627采用单电源供电，根据传感器输出电压范围不同，只需改变AD627的1脚和8脚之间电阻R即可调节其增益[6]。可用下式表示：
轨道精密运算放大器TLV2461作为跟随器，可以尽量减小系统能耗，其输入失调电压也为微伏级。
图3是辐射传感器的信号测量与调理电路。其他模拟信号的测量与调理电路与图3相同。
2.1.4 A/D转换模块
气象数据采集系统A/D转换采用24位高准确度AD芯片AD7793[8]。
AD7793的通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，
REFIN-）用于测量温度，通道2（AIN2+，AIN2-）用于测量其他模拟信号。各模拟信号由CD4051模拟开关控制分时A/D转换[9]。
2.2 数字电路设计及气压、风速、风向、雨量的测量
自动气象站采用的气压传感器主要是VAISALA公司的PTB220[10]，测量范围为50～110 kPa，除了具有模拟电压输出接口外，还具有RS232或者RS485数据输出接口[11]。通过RS232或者RS485接口电路就可以与PTB220通信，获取气压数据。
风速大小与风速传感器输出的脉冲信号频率成正比例，EPM570T100C5N对脉冲进行计数处理后，将数据发送至MSP430F149，由MSP430F149计算风速。
风向传感器输出7位格雷码，经过缓冲保护电路，送入EPM570T100C5N进行处理。
雨量传感器一般为翻斗式，翻斗翻转1次，输出1个脉冲信号。EPM570T100C5N在1 min内对雨量传感器信号计数，根据计数值与雨量换算公式确定雨量。 风速、风向、雨量的测量电路相同，均是先通过保护电路、74HC244缓冲器后由EPM570T100C5N进行处理。
2.3 显示模块
显示模块采用TFTLCD显示屏。LCD_CS为TFTLCD的片选端，用于控制TFTLCD是否工作，LCD_WR与LCD_RD为TFTLCD的读写数据控制引脚。LCD_DB[1]～LCD_DB[16]为TFTLCD的16位双向数据线[12]，用于数据的传输显示。
2.4 通信接口电路
根据系统数据传输的特点，选用RS232进行数据传输。RS232采用MAX3232集成电路驱动[13]。MSP430F149自带2个串行接口模块（USART），UART0与PTB220进行通信，采集气压数据；UART1与上位机进行数据通信。
3 软件设计
3.1 系统时序流程图
由于采集的信号分为模拟量和数字量，所以采集流程图分为模拟、数字两类。
3.2 模拟信号采集流程图
蒸发传感器输出的是电流量，温度传感器输出的是电阻量；分别经过I-V和R-V转换才能进行A/D转换。模拟信号采集流程如图4所示。
3.3 数字信号采集流程图
气压传感器除产生模拟信号外，还可以产生RS232信号，可直接用MSP430F149处理。数字量采集流程如图5所示。
4 系统测试
为了便于分析数据，采用JJQ1气象信号模拟器进行系统测试。JJQ1气象信号模拟器能够根据实际需求模拟多种传感器的输出信号。通过设置JJQ1气象信号模拟器信号输出要素和特征值，完成系统数据采集。将设定值和系统测量值进行比对，检测系统的性能，测试结果如表2所示。
从表2可以看出，传感器输出的数字量信号（风速、风向、雨量、气压（RS232））测量误差为0；但是模拟量信号设定值和测量值存在误差，通过实验发现其主要原因是输出信号受环境中电磁场影响产生噪声。
5 结束语
基于MSP430F149与EPM570T100C5N处理器硬件平台，设计了模块化多通道通用气象数据采集系统；在保证准确度前提下，解决了自动气象站数据采集系统兼容性与扩展性差、采集要素单一的问题。系统能够准确采集气象传感器信号，具有良好的通用性与稳定性。
参考文献
[1] 阮双喜，邱春玲，田地. 基于ARM的气象数据采集系统的研制[J]. 吉林大学学报（信息科学版），2006，24（2）：220-224.
[2] BENGHANEM M. Measurement of meteorological data based on wireless data acquisition system monitoring[J]. Applied Energy，2009，86（12）：2651-2660.
[3] 姚娟，张志杰，李丽芳. 基于LabVIEW和TCP的数据采集系统设计与实现[J]. 电子技术应用，2012，38（7）：72-74.
[4] 李红刚，张素萍. 基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J]. 国外电子测量技术，2014，33（4）：62-67.
[5] 张莉莉，沙奕卓，行鸿彦. 自动气象站现场温度校准系统的设计及实现[J]. 测控技术，2014，33（3）：6-10.
[6] 徐伟，杨绪森，张光宇，等. 手持式气象传感器现场测量仪的开发[J]. 现代电子技术，2014，37（22）：131-134.
[7] 孙惠丽，林凌. 低功耗单双电源供电的轨对轨仪表放大器AD627[J]. 国外电子元器件，2002（7）：33-34.
[8] 董鸣. AD7793在高精度温控设备中的应用[J]. 电子技术，2012（8）：31-32.
[9] 宋吉江，牛轶霞，于春战，等. CMOS模拟开关及其选择问题[J]. 微电子技术，2001，29（3）：58-60.
[10] 吕文华，薛鸣方，行鸿彦. 自动气象站技术与应用[M]. 北京：中国质检出版社，2013.
[11] 郭勇，姜学东. 基于MSP430单片机的气象数据采集系统[J]. 国外电子测量技术，2007，26（10）：43-46.
[12] 任光，叶斌，杨大春，等. 数字TFT-LCD驱动电路实验研究[J]. 液晶与显示，2006，21（1）：87-90.
[13] 葛磊蛟，毛一之，李歧，等. 基于C语言的RS232串行接口通信实现[J]. 河北工业大学学报，2008，37（6）：11-16.
（编辑：徐柳）
关键词：数据采集；模块化；多通道；气象传感器
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）08-0068-05
0 引 言
随着气象产业快速发展，人们对气象数据采集系统的成本、准确度、功耗等标准要求也越来越高；社会需求的增加，促使我国气象观测技术快速发展[1]。国外气象数据采集系统如DT80、DT85以及CR1000系列等具有良好的灵活性、自主性、兼容性。国内传统型气象数据采集系统虽然已经应用于自动气象站，但跟国外相比，依然存在着差距；比如系统拓展能力有限，采集接口无法通用，气象要素采集单一等。
利用MSP430F149和EPM570T100C5N设计一种高准确度、多通道、兼容性强的气象数据采集系统。将硬件电路各功能模块化；采集接口采用通用性设计，可以适合各种模拟信号输入。数字信号与模拟信号分别用EPM570T100C5N与MSP430F149采集；为降低系统功耗，将MSP430F149作为主控制器。
1 系统结构
系统通过处理气象传感器输出的电信号来完成温度、 湿度、气压、雨量、辐射、蒸发、风速、风向的测量[2]。常用气象传感器输出信号类型、电信号和气象量之间的函数关系如表1所示。其中气压传感器PTB220输出信号既可以是电压形式，也可以是RS232或者RS485形式。
对于模拟信号，通过信号调理电路、模拟开关和A/D转换电路处理，由MSP430F149单片机完成采集；数字信号经EPM570T100C5N采集后将数据发送至MSP430F149，由MSP430F149进一步处理。气压传感器输出的RS232信号可以直接由MSP430F149采集。系统将处理后的气象数据通过显示模块实时显示，或通过串口将气象数据传送给上位机[3]，由上位机进行显示、存盘等[4]。工作方案如图1所示。
2 硬件电路设计
系统硬件电路包括模拟信号采集电路、数字信号采集电路、显示模块、通信接口电路。
2.1 模拟信号采集电路
2.1.1 模拟信号采集接口
每个模拟信号采集接口端有4个接线通道，分别为E、H、L、C。各通道功能为：
1）E通道提供触发源。
2）H通道和L通道是信号输入通道，可以采用差分输入，从而提高准确度。
3）C通道是接地通道。
采集接口适合电压、电流、电阻信号的输入。
2.1.2 温度测量电路
温度传感器一般采用PT100，根据PT100阻值与温度变化成正比的关系，确定温度[5]，测温电路如图2所示。测温时，AD7793的IOUT1引脚输出电流设置为1 mA，IOUT1与通用接口的E通道相连，为PT100提供电流源[6]。电流通过R1与一个低温漂、高精度参考电阻R2。AD7793的测量通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，REFIN-）分别测量R1与R2两端的电压V1、V2；由于R1与R2两端电压已知，通过R1与R2的电流相同，根据式（1）：
2.1.3 蒸发、湿度、辐射、气压的测量
蒸发传感器输出电流量，要进行I-V转换才可以完成测量；湿度、辐射、气压传感器输出电压量。在进行A/D转换之前要根据各传感器输出信号的特点，以及ADC参考电压范围，设计信号调理电路。
信号调理电路由集成单电源仪表放大器AD627[7]和轨道精密运算放大器TLV2461组成。
AD627采用单电源供电，根据传感器输出电压范围不同，只需改变AD627的1脚和8脚之间电阻R即可调节其增益[6]。可用下式表示：
轨道精密运算放大器TLV2461作为跟随器，可以尽量减小系统能耗，其输入失调电压也为微伏级。
图3是辐射传感器的信号测量与调理电路。其他模拟信号的测量与调理电路与图3相同。
2.1.4 A/D转换模块
气象数据采集系统A/D转换采用24位高准确度AD芯片AD7793[8]。
AD7793的通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，
REFIN-）用于测量温度，通道2（AIN2+，AIN2-）用于测量其他模拟信号。各模拟信号由CD4051模拟开关控制分时A/D转换[9]。
2.2 数字电路设计及气压、风速、风向、雨量的测量
自动气象站采用的气压传感器主要是VAISALA公司的PTB220[10]，测量范围为50～110 kPa，除了具有模拟电压输出接口外，还具有RS232或者RS485数据输出接口[11]。通过RS232或者RS485接口电路就可以与PTB220通信，获取气压数据。
风速大小与风速传感器输出的脉冲信号频率成正比例，EPM570T100C5N对脉冲进行计数处理后，将数据发送至MSP430F149，由MSP430F149计算风速。
风向传感器输出7位格雷码，经过缓冲保护电路，送入EPM570T100C5N进行处理。
雨量传感器一般为翻斗式，翻斗翻转1次，输出1个脉冲信号。EPM570T100C5N在1 min内对雨量传感器信号计数，根据计数值与雨量换算公式确定雨量。 风速、风向、雨量的测量电路相同，均是先通过保护电路、74HC244缓冲器后由EPM570T100C5N进行处理。
2.3 显示模块
显示模块采用TFTLCD显示屏。LCD_CS为TFTLCD的片选端，用于控制TFTLCD是否工作，LCD_WR与LCD_RD为TFTLCD的读写数据控制引脚。LCD_DB[1]～LCD_DB[16]为TFTLCD的16位双向数据线[12]，用于数据的传输显示。
2.4 通信接口电路
根据系统数据传输的特点，选用RS232进行数据传输。RS232采用MAX3232集成电路驱动[13]。MSP430F149自带2个串行接口模块（USART），UART0与PTB220进行通信，采集气压数据；UART1与上位机进行数据通信。
3 软件设计
3.1 系统时序流程图
由于采集的信号分为模拟量和数字量，所以采集流程图分为模拟、数字两类。
3.2 模拟信号采集流程图
蒸发传感器输出的是电流量，温度传感器输出的是电阻量；分别经过I-V和R-V转换才能进行A/D转换。模拟信号采集流程如图4所示。
3.3 数字信号采集流程图
气压传感器除产生模拟信号外，还可以产生RS232信号，可直接用MSP430F149处理。数字量采集流程如图5所示。
4 系统测试
为了便于分析数据，采用JJQ1气象信号模拟器进行系统测试。JJQ1气象信号模拟器能够根据实际需求模拟多种传感器的输出信号。通过设置JJQ1气象信号模拟器信号输出要素和特征值，完成系统数据采集。将设定值和系统测量值进行比对，检测系统的性能，测试结果如表2所示。
从表2可以看出，传感器输出的数字量信号（风速、风向、雨量、气压（RS232））测量误差为0；但是模拟量信号设定值和测量值存在误差，通过实验发现其主要原因是输出信号受环境中电磁场影响产生噪声。
5 结束语
基于MSP430F149与EPM570T100C5N处理器硬件平台，设计了模块化多通道通用气象数据采集系统；在保证准确度前提下，解决了自动气象站数据采集系统兼容性与扩展性差、采集要素单一的问题。系统能够准确采集气象传感器信号，具有良好的通用性与稳定性。
参考文献
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[6] 徐伟，杨绪森，张光宇，等. 手持式气象传感器现场测量仪的开发[J]. 现代电子技术，2014，37（22）：131-134.
[7] 孙惠丽，林凌. 低功耗单双电源供电的轨对轨仪表放大器AD627[J]. 国外电子元器件，2002（7）：33-34.
[8] 董鸣. AD7793在高精度温控设备中的应用[J]. 电子技术，2012（8）：31-32.
[9] 宋吉江，牛轶霞，于春战，等. CMOS模拟开关及其选择问题[J]. 微电子技术，2001，29（3）：58-60.
[10] 吕文华，薛鸣方，行鸿彦. 自动气象站技术与应用[M]. 北京：中国质检出版社，2013.
[11] 郭勇，姜学东. 基于MSP430单片机的气象数据采集系统[J]. 国外电子测量技术，2007，26（10）：43-46.
[12] 任光，叶斌，杨大春，等. 数字TFT-LCD驱动电路实验研究[J]. 液晶与显示，2006，21（1）：87-90.
[13] 葛磊蛟，毛一之，李歧，等. 基于C语言的RS232串行接口通信实现[J]. 河北工业大学学报，2008，37（6）：11-16.
（编辑：徐柳）