精品文檔-下載后可編輯基于DSP的小型氣象站的硬件設(shè)計-技術(shù)方案摘要:針對大氣參數(shù)測量的要求與測量方法，結(jié)合DSP的工作原理，研究了DSP在大氣參數(shù)測量系統(tǒng)的應(yīng)用。提出了一種測量大氣參數(shù)的設(shè)計，通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，結(jié)合DSP開發(fā)調(diào)試環(huán)境，設(shè)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(shù)的小型氣象站。通過對設(shè)計的樣機進行測試，在大氣參數(shù)的測量范圍、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，使得設(shè)計的小型氣象站還具有便攜性、功耗低、實時測量和抗干擾能力強等特點。

關(guān)鍵詞:大氣參數(shù);數(shù)字信號處理器;氣象站

0引言

用來進行大氣參數(shù)測量的小型氣象站廣泛應(yīng)用于氣象服務(wù)、大氣實驗、通信和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，測量的大氣參數(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，使得小型氣象站在便于攜帶、實時測量、功耗和抗干擾能力等方面的有較高的要求。在數(shù)字信號處理器(digitalsignalprocessor，DSP)出現(xiàn)之前，小型氣象站主要是以MCS—51單片機為的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，面對大量的氣象數(shù)據(jù)，單片機數(shù)據(jù)快速處理能力的不足暴露了出來，而DSP因為其自身的硬件結(jié)構(gòu)使得它能夠快速進行數(shù)據(jù)處理，彌補了單片機的不足?；贒SP的小型氣象站是結(jié)合了DSP的工作原理、大氣參數(shù)的測量方法和小型氣象站的自身特點而提出的一種新設(shè)計，能夠進行大氣參數(shù)的實時測量，并具有了功耗低、便攜性好和抗干擾能力強的特點。

1氣象站工作原理和硬件框圖

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

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

傳感器的輸出因為其工作原理不同而不同，本文根據(jù)實際選擇的傳感器設(shè)計了不同的信號調(diào)理電路，對傳感器的輸出有針對性的進行濾波，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)主要進行模擬量輸入通道選擇，A/D轉(zhuǎn)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傳感器與信號調(diào)理電路

2．1風(fēng)速傳感器與信號調(diào)理電路

風(fēng)速反映了大氣的流動程度，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1～60m/s，分辨率為0．5m/s，精度為±5%。根據(jù)風(fēng)速測量的特點和要求，本文選用了紅外光電開關(guān)式風(fēng)速傳感器和脈沖幅值穩(wěn)定調(diào)理電路來實現(xiàn)把風(fēng)速轉(zhuǎn)換成單位時間脈沖輸出個數(shù)的任務(wù)，原理圖如圖2所示。

在距離風(fēng)輪中心為r的位置刻有一個遮光塊，在風(fēng)帶動風(fēng)輪以中心軸線為中心旋轉(zhuǎn)時，風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)一周，遮光塊經(jīng)過紅外光源和紅外探測器所在的水平線上。當遮光塊經(jīng)過紅外光源和紅外探測器所在的水平線時，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脈沖電流，風(fēng)速v與單位時間內(nèi)電流脈沖個數(shù)N呈正比關(guān)系。

信號調(diào)理電路把紅外探測器輸出的微弱電流進行放大后進行I/V變換，然后，再對電壓脈沖的幅值進行穩(wěn)幅處理后送入DSP系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)處理。

2．2風(fēng)向傳感器與信號調(diào)理電路

在風(fēng)向測量中，采用了精密電位器式傳感器把風(fēng)向變化轉(zhuǎn)換成電阻變化，電阻與風(fēng)向滿足正比例關(guān)系，然后，經(jīng)過直流四臂電橋轉(zhuǎn)換電路再把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，由于電壓比較小，所以，還需要利用放大電路放大到A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的電壓范圍，然后，經(jīng)多路選擇器后進入A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進入DSP系統(tǒng)。

風(fēng)向測量原理框圖如圖3所示。

本設(shè)計選用了Metone公司的020C型電位器式風(fēng)向傳感器，該傳感器的測量范圍為0°～360°，精度為±2°，分辨率為±0．2°。020C型電位器式風(fēng)向傳感器有一個自重很輕的機翼形風(fēng)向標，它直接和一個精密電位器相連，對應(yīng)于0°～360°的風(fēng)向，輸出電壓為0～5V，經(jīng)電壓調(diào)理電路之后，可直接進入DSP系統(tǒng)進行A/D轉(zhuǎn)換。

2．3溫濕度傳感器與信號調(diào)理電路

本設(shè)計選用了瑞士Rotronic公司型號為HygroClips3的空氣溫濕度傳感器。該溫濕度傳感器內(nèi)部集成了鉑電阻溫度傳感器和電容式濕度傳感器。溫度測量范圍為－40～60℃，精度為±0．3℃;相對濕度測量范圍為0%～100%RH，精度為±1．5%RH，溫濕度傳感器采用+5V直流電源供電，在溫濕度測量范圍內(nèi)可以輸出0～1V的模擬電壓。溫濕度測量原理框圖如圖4所示。

2．4大氣壓力傳感器與信號調(diào)理電路

在小型氣象站中，大氣壓力的測量范圍為800～1080hPa，分辨率為0．1hPa，精度為±1．0hPa。本設(shè)計選用了電容式大氣壓力傳感器CS106實現(xiàn)把大氣壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出。CS106傳感器是Vaisala公司的硅電容大氣壓力傳感器。大氣壓力測量原理框圖如圖5所示。

3DSP系統(tǒng)

DSP系統(tǒng)主要由DSP芯片，按鍵電路、復(fù)位電路、晶振電路和串行通信電路組成。

3．1DSP芯片選型

在氣象站中，DSP的主要作用是數(shù)據(jù)采集、通道選擇和模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示及系統(tǒng)控制。本文根據(jù)應(yīng)用要求和DSP芯片特點選用了美國TI公司的型號為TMS320LF2402A的DSP芯片，該DSP芯片采用了CMOS工藝，供電電壓僅為3．3V，減小了系統(tǒng)功耗;片內(nèi)有32k字的FLASHROM，1．5k字的RAM;看門狗定時器;8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為375ns;2個16位通用定時器和串行通信接口等片上外圍電路。

3．2電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路

DSP系統(tǒng)電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路原理圖如圖6所示。

TMS320LF2402A工作時的內(nèi)核電壓和I/O緩沖器電壓都為3．3V，本設(shè)計采用了TI公司的TPS7333電路轉(zhuǎn)換芯片，把由電源模塊提供的5V電壓轉(zhuǎn)換成3．3V。另外，結(jié)合TPS7333具有的上電復(fù)位功能，設(shè)計了DSP芯片的復(fù)位電路。設(shè)計了外部時鐘電路，采用頻率為20MHz的有源石英晶體振蕩器，結(jié)合內(nèi)部鎖相環(huán)進行二倍頻之后為DSP芯片提供40MHz的時鐘信號。

3．3串行通信接口電路

TMS320LF2402A片內(nèi)有SCI串行口，可以方便地與計算機上的RS—232串行口連接進行通信，把測量結(jié)果顯示在上位機上。由于PC機的RS—232C電平與DSP的TTL電平不一致，就必須在兩者之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換。

本設(shè)計采用MAXIM公司的MAX232實現(xiàn)兩者間的轉(zhuǎn)換，電路原理圖如圖7所示。

4實驗結(jié)果

通過硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，制成了小型氣象站樣機，實驗之后的結(jié)果如表1所示。

根據(jù)實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該小型氣象站基本滿足野外大氣實驗大氣參數(shù)測量的要求。

5結(jié)論

本設(shè)計根據(jù)大氣參數(shù)的測量要求和測量方法，結(jié)合DSP的工作原理，設(shè)計了一個小型氣象站的硬件系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)滿足大氣測量的基本要求，可以作為一個小型氣象站使用。

參考文獻:

[1].TMS320LF2402Adatasheet/datasheet/TMS320LF2402A+_1003642.html.[2].TPS7333datasheet/datasheet/TPS7333+_592218.html.[3].P