海洋水文氣象綜合數據采集器的研制

摘要：針對海洋環境監測工作的實際需要，以高性能單片執C8051F120為核心研制了一種海洋水文氣象綜合數據采集器。采集器采用成熟的工業級集成電路芯片和元器件、配備X5043看門狗芯片，保證了系統可靠性和穩定性；采用交流電和太陽能電池雙供電模式，應用B1203LS有效降低了系統功耗；配備有線／無線通訊接口，實現數據的遠程傳輸。現場應用表明，其運行穩定可靠、維護管理簡單，具有較大的實用價值和應用前景。
關鍵詞：海洋水文氣象；數據采集器；C8051F120；軟件設計

海洋數據采集器的基本任務是獲取氣溫、氣壓、潮位、水溫、波浪、海流等海洋要素信息，是海洋環境監測系統的重要組成部分和關鍵設備。此前一般按照其采集要素的類型劃分為水文采集器和氣象采集器兩大類，并分類進行研發和應用；該方式人為將其分得過細，存在研發效率低、研制成本高、后期維護和管理繁瑣等諸多弊端，為此筆者以高性能單片機C8051F120為校心器件研制了一種適用于水文和氣象兩類要素信息檢測的綜合型海洋信息數據采集器，其提供有線和無線兩種通訊接口，適用于海岸、島嶼、平臺、船舶等多類站點的監測。

1 總體設計
采集器用于完成海洋氣壓、氣溫、濕度、降水、風速、風向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素信息的采集?，F場傳感器或檢測儀表負責各種海洋信息的檢測，將參數物理量轉換成電信號輸出，是采集器的信號輸入前端；雖然各種海洋參數檢測傳感器的工作原理各不相同、結構也多種多樣，但其輸出信號無非是數字信號(RS232)、模擬信號或脈沖信號。采集器的信號接口及通訊接口設置需要與傳感器的信號輸出形式相匹配才能完成數據采集功能，是實現采集器通用性的關鍵因素之一，為此綜合數據采集器設置了3類信號接收接口：RS232串口、模擬信號接口和脈沖信號接口。

采集器總體結構如圖1所示。MCU模塊(單片機)作為整個采集器的控制核心，負責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、液晶顯示和鍵盤操作等控制功能。信號輸入模塊負責采集和調理各類水文氣象要素信息信號，然后將其送往MCU。單片機對輸入信號進行集中采集和處理后為每個數據都加上時間標簽，然后將其以記錄的形式存入FLASH存儲器；單片機實時監聽上位機指令，并通過有線或無線通信接口向上位機傳輸數據。
通信接口實現上位機與下采象器的相互通信，上位機可以通過發送指令選擇采集器工作在水文采集還是氣象采集模式之下，上位機也可以通過指令修改采集器的系統時間。
為了安裝和調試方便，系統設計了液晶和鍵盤模塊，用來快捷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設定等功能。
其他外設包括硬件看門狗模塊、FLASH存儲模塊、實時時鐘模塊和供電電源模塊四個部分。由于采集器需要長期工作在無人看守的場合，為此需要設計硬件看門狗模塊，當單片機死機或程序跑飛時自動重啟采集器的軟硬件系統。采集器的數據存儲量較大，因此設置了外部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，因此設置了實時時鐘模塊。采集器有可能工作在沒有交流電源的工作場合，為此設置了交流電源供電和12V太陽能電池供電的雙供電電路。