基于DSP的小型氣象站的硬件設(shè)計(jì)

摘要: 針對(duì)大氣參數(shù)測(cè)量的要求與測(cè)量方法，結(jié)合DSP 的工作原理，研究了DSP 在大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用。提出了一種測(cè)量大氣參數(shù)的設(shè)計(jì)，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合DSP 開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，設(shè)計(jì)出能測(cè)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(shù)的小型氣象站。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，在大氣參數(shù)的測(cè)量范圍、分辨率和精度方面基本滿足小型氣象站的要求。由于DSP 自身的優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)的小型氣象站還具有便攜性、功耗低、實(shí)時(shí)測(cè)量和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

0 引言

　　用來(lái)進(jìn)行大氣參數(shù)測(cè)量的小型氣象站廣泛應(yīng)用于氣象服務(wù)、大氣實(shí)驗(yàn)、通信和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，測(cè)量的大氣參數(shù)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(shù)的自身特點(diǎn)，使得小型氣象站在便于攜帶、實(shí)時(shí)測(cè)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(hào)處理器( digital signal processor，DSP) 出現(xiàn)之前，小型氣象站主要是以MCS—51 單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，面對(duì)大量的氣象數(shù)據(jù)，單片機(jī)數(shù)據(jù)快速處理能力的不足暴露了出來(lái)，而DSP 因?yàn)槠渥陨淼挠布Y(jié)構(gòu)使得它能夠快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，彌補(bǔ)了單片機(jī)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(cè)量方法和小型氣象站的自身特點(diǎn)而提出的一種新設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行大氣參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，并具有了功耗低、便攜性好和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

　　1 氣象站工作原理和硬件框圖

　　進(jìn)行大氣參數(shù)測(cè)量的氣象站主要由傳感器、信號(hào)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(cè)的大氣參數(shù)都是非電量，而測(cè)量結(jié)果是建立在對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理得到，所以，在氣象站中針對(duì)每一個(gè)大氣參數(shù)都采用了相應(yīng)的傳感器進(jìn)行非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

　　傳感器的輸出因?yàn)槠涔ぷ髟聿煌煌?，本文根?jù)實(shí)際選擇的傳感器設(shè)計(jì)了不同的信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)傳感器的輸出有針對(duì)性的進(jìn)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(hào)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(fù)位電路、振蕩電路、復(fù)位電路和串行通信口組成。DSP 系統(tǒng)主要進(jìn)行模擬量輸入通道選擇，A/D 轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理，對(duì)氣象站其他組成部分的控制以及和上位機(jī)進(jìn)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(hào)調(diào)理電路

　　2．1 風(fēng)速傳感器與信號(hào)調(diào)理電路

　　風(fēng)速反映了大氣的流動(dòng)程度，具有很大的隨機(jī)性。小型氣象站常用于測(cè)量近地面風(fēng)速，測(cè)量范圍為1～ 60 m/s，分辨率為0． 5 m/s，精度為± 5 %。根據(jù)風(fēng)速測(cè)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(wěn)定調(diào)理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)把風(fēng)速轉(zhuǎn)換成單位時(shí)間脈沖輸出個(gè)數(shù)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)輪以中心軸線為中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)一周，遮光塊經(jīng)過(guò)紅外光源和紅外探測(cè)器所在的水平線上一次。當(dāng)遮光塊經(jīng)過(guò)紅外光源和紅外探測(cè)器所在的水平線時(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(cè)器上，紅外探測(cè)器輸出一個(gè)脈沖電流，風(fēng)速v 與單位時(shí)間內(nèi)電流脈沖個(gè)數(shù)N 呈正比關(guān)系。

　　信號(hào)調(diào)理電路把紅外探測(cè)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(duì)電壓脈沖的幅值進(jìn)行穩(wěn)幅處理后送入DSP 系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。