多功能低功耗海洋數據采集器的設計

摘要：為了克服國內數據采集器通用性不強，論文以C8051F120為控制核心設計了通用多功能低功耗海洋數據采集器。多功能低功耗海洋數據采集器采用B1203LS非線性變壓模塊，降低了系統的功耗；采用了OCM12864-8液晶顯示設計，實現了系統的菜單化管理；采用大容量存儲器AT45DB041，可以存儲大量歷史數據；并提供了RS232接口可以實現遠程有線或者無線傳輸。整個系統有體積小、功耗低、太陽能供電的特點，完全達到設計要求，有較大的實用價值和應用前景。
關鍵詞：采集器；低功耗；C8051F120；海洋氣象

國產海濱觀測站所采用的數據采集器大多與相應的海濱觀測站配套使用，當需要擴充海濱觀測站觀測功能，增加新的觀測要素傳感器時，不能直接進行升級，必須更換，從而造成重復建設和資源浪費。根據這一情況，改進和完善數據采集器，對于提高海濱觀測站的擴展性和通用性具有重要意義，同時這也是國際上海濱觀測站在擴展觀測要素、提高系統開放性方面的趨勢之一。
在硬件上實現通用，只需要修改配置文件，就可以實現氣象和水文采集器的互換使用。這樣可以大大簡化系統維護工作，提高觀測效率。同時論文基于一種低功耗單片機的海洋數據采集器，采用RS232接口實時接受和發送數據，配有大容量存儲器，支持無線數據傳輸及日歷時鐘，可以長期獨立工作在無人值守的野外觀測記錄。論文還在開發時候考慮到海洋環境和產品開發成本，做到了防腐蝕、低功耗、低成
本、太陽能供電。

1 系統整體功能設計
系統要分別對氣壓、氣溫、濕度、降水、風速、風向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進行采集。根據對各種要素的觀測要求選擇合適的傳感器，目前市面上的主流傳感器接口輸出信號有4～20 mA電流模擬信號、電壓模擬信號、脈沖信號、串口信號等。本設計根據所采集的數據種類和選用的傳感器接口類型，設計了3類信號接收端：脈沖信號，RS232串口信號，模擬信號。傳感器信號經信號調理電路傳輸至外擴A／D轉換電路，經A／D轉換后進入單片機。單片機對信號進行濾波、添加時間標簽等數據處理后，作為控制核心將數據存入FLASH存儲器，同時監聽上位機指令，準備將數據通過串口發送GPS模塊實現上位機通信并完成鍵盤設置和液晶顯示控制。采集器長期工作在無人看守狀態下，因此設計了程序故障后自動硬件復位模塊。系統總體方案框圖如圖1所示。

MCU模塊作為整個采集器的控制核心，主要完成信號的多路采集、軟件濾波、數據運算、上位機指令監聽、數據傳輸、數據存儲、液晶顯示和鍵盤等控制功能。
信號輸入模塊主要功能是：將分別對氣壓、氣溫、濕度、降水、風速、風向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進行采集的信號進行調理后進MCU。
串行通信模塊實現上位機與下位機的相互通信，上位機可以通過發送指令選擇下位機工作在氣象或水文模式。上位機還可以通過指令修改下位機系統時間。
為了安裝和調試方便，系統設計了液晶和鍵盤模塊。該模塊用來完成采集器工作模式的選擇；系統時鐘的設定；水文或氣象參數的最大值和最小值的設定。
其他外設包括：看門狗模塊、FLASH存儲模塊和實時時鐘模塊。硬件看門狗模塊能夠使程序故障后自動恢復系統正常工作狀態。本設計要求數據存儲量大，因此使用擴展外部FLASH存儲模塊。數據傳輸格式要求，用時間來標記不同時刻的數據，因此采集器應有實時時鐘模塊。
采集器有可能工作在沒有交流電源的工作場合，本設計用12 V太陽能電池供電。