基于DSP的小型气象站的硬件设计方案
摘要： 针对大气参数测量的要求与测量方法，结合DSP 的工作原理，研究了DSP 在大气参数测量系统的应用。提出了一种测量大气参数的设计，通过硬件设计和软件设计，结合DSP 开发调试环境，设计出能测量风向、风速、大气温度、大气湿度和大气气压等大气参数的小型气象站。通过对设计的样机进行测试，在大气参数的测量范围、分辨率和精度方面基本满足小型气象站的要求。由于DSP 自身的优点，使得设计的小型气象站还具有便携性、功耗低、实时测量和抗干扰能力强等特点。 0 引言 用来进行大气参数测量的小型气象站广泛应用于气象服务、大气实验、通信和农业等领域，测量的大气参数主要包括风速、风向、大气湿度、大气温度和大气压力等。由于大气参数的自身特点，使得小型气象站在便于携带、实时测量、功耗和抗干扰能力等方面的有较高的要求。在数字信号处理器（ digitalsignal processor，DSP） 出现之前，小型气象站主要是以MCS—51 单片机为核心的数据采集和处理系统，面对大量的气象数据，单片机数据快速处理能力的不足暴露了出来，而DSP 因为其自身的硬件结构使得它能够快速进行数据处理，弥补了单片机的不足。基于DSP 的小型气象站是结合了DSP 的工作原理、大气参数的测量方法和小型气象站的自身特点而提出的一种新设计，能够进行大气参数的实时测量，并具有了功耗低、便携性好和抗干扰能力强的特点。 1 气象站工作原理和硬件框图 进行大气参数测量的气象站主要由传感器、信号调理电路、DSP 系统和电源模块4 部分组成，如图1 所示。 由于所测的大气参数都是非电量，而测量结果是建立在对电信号进行处理得到，所以，在气象站中针对每一个大气参数都采用了相应的传感器进行非电量到电量的转换。 传感器的输出因为其工作原理不同而不同，本文根据实际选择的传感器设计了不同的信号调理电路，对传感器的输出有针对性的进行滤波，I /V 变换，脉冲稳幅和电压放大等不同形式的调理，使得传感器的输出经信号调理电路之后满足DSP芯片上A / D转换器的输入模拟电压的范围或者I /O 端口的电平要求。 DSP 系统由DSP 芯片，DSP 外围复位电路、振荡电路、复位电路和串行通信口组成。DSP 系统主要进行模拟量输入通道选择，A/D 转换，信号处理，对气象站其他组成部分的控制以及和上位机进行串行通信。 电源模块为DSP 系统和气象站其他组成部分提供稳定的直流电压。 2 传感器与信号调理电路 2． 1 风速传感器与信号调理电路 风速反映了大气的流动程度，具有很大的随机性。小型气象站常用于测量近地面风速，测量范围为1～ 60 m/s，分辨率为0． 5 m/s，精度为± 5 %。根据风速测量的特点和要求，本文选用了红外光电开关式风速传感器和脉冲幅值稳定调理电路来实现把风速转换成单位时间脉冲输出个数的任务，原理图如图2 所示。 在距离风轮中心为r 的位置刻有一个遮光块，在风带动风轮以中心轴线为中心旋转时，风轮每旋转一周，遮光块经过红外光源和红外探测器所在的水平线上一次。当遮光块经过红外光源和红外探测器所在的水平线时，红外光源发出的光被遮光块阻挡，不能照射在红外探测器上，红外探测器输出一个脉冲电流，风速v 与单位时间内电流脉冲个数N 呈正比关系。 信号调理电路把红外探测器输出的微弱电流进行放大后进行I /V 变换，然后，再对电压脉冲的幅值进行稳幅处理后送入DSP 系统，进行数据处理。 2． 2 风向传感器与信号调理电路 在风向测量中，采用了精密电位器式传感器把风向变化转换成电阻变化，电阻与风向满足正比例关系，然后，经过直流四臂电桥转换电路再把电阻变化转换成电压变化，由于电压比较小，所以，还需要利用放大电路放大到A/D转换器所能分辨的电压范围，然后，经多路选择器后进入A/D 转换器实现模数转换，转换后的结果进入DSP 系统。 风向测量原理框图如图3 所示。 本设计选用020C 型电位器式风向传感器，该传感器的测量范围为0°～ 360°，精度为± 2°，分辨率为± 0． 2°。020C 型电位器式风向传感器有一个自重很轻的机翼形风向标，它直接和一个精密电位器相连，对应于0°～ 360°的风向，输出电压为0～ 5 V，经电压调理电路之后，可直接进入DSP 系统进行A/D 转换。 2． 3 温湿度传感器与信号调理电路 本设计选用了HygroClip s 3的空气温湿度传感器。该温湿度传感器内部集成了铂电阻温度传感器和电容式湿度传感器。温度测量范围为－ 40～60℃，精度为± 0． 3 ℃; 相对湿度测量范围为0 %～100 %RH，精度为± 1． 5 % RH，温湿度传感器采用+ 5 V 直流电源供电，在温湿度测量范围内可以输出0～ 1 V 的模拟电压。温湿度测量原理框图如图4 所示。 2． 4 大气压力传感器与信号调理电路 在小型气象站中，大气压力的测量范围为800 ～1 080 hPa，分辨率为0． 1 hPa，精度为± 1． 0 hPa。本设计选用了电容式大气压力传感器CS106 实现把大气压力转换成电压输出。CS106 传感器是Vaisala 公司的硅电容大气压力传感器。大气压力测量原理框图如图5 所示。
3 DSP 系统 DSP 系统主要由DSP 芯片，按键电路、复位电路、晶振电路和串行通信电路组成。 3． 1 DSP 芯片选型 在气象站中，DSP 的主要作用是数据采集、通道选择和模数转换、数据分析、结果显示及系统控制。本文根据应用要求和DSP 芯片特点选用了美国TI 公司的型号为TMS320LF2402A 的DSP 芯片，该DSP 芯片采用了CMOS 工艺，供电电压仅为3． 3 V，减小了系统功耗; 片内有32 k 字的FLASHROM，1 ． 5 k 字的RAM; 看门狗定时器; 8 通道的10位A/D 转换器，转换时间为375 ns; 2 个16 位通用定时器和串行通信接口等片上外围电路。 3． 2 电源电路、复位电路和时钟电路 DSP 系统电源电路、复位电路和时钟电路原理图如图6所示。 TMS320LF2402A 工作时的内核电压和I /O 缓冲器电压都为3． 3 V，本设计采用了TI 公司的TPS7333 电路转换芯片，把由电源模块提供的5 V 电压转换成3． 3 V。另外，结合TPS7333 具有的上电复位功能，设计了DSP 芯片的复位电路。设计了外部时钟电路，采用频率为20 MHz 的有源石英晶体振荡器，结合内部锁相环进行二倍频之后为DSP芯片提供40 MHz 的时钟信号。 3． 3 串行通信接口电路 TMS320LF2402A 片内有SCI 串行口，可以方便地与计算机上的RS—232 串行口连接进行通信，把测量结果显示在上位机上。由于PC 机的RS—232C 电平与DSP 的TTL 电平不一致，就必须在两者之间进行电平和逻辑关系的变换。 本设计采用MAX232 实现两者间的转换，电路原理图如图7 所示。 4 实验结果 通过硬件设计和软件设计，制成了小型气象站样机，实验之后的结果如表1 所示。 根据实验结果可以发现，该小型气象站基本满足野外大气实验大气参数测量的要求。 5 结论 本设计根据大气参数的测量要求和测量方法，结合DSP 的工作原理，设计了一个小型气象站的硬件系统，实验结果表明： 该系统满足大气测量的基本要求，可以作为一个小型气象站使用。
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