安学武

摘 要：在气象要素观测及地面气象探测设备维修保障过程中，经常需要采集处理各类气象传感器输出信号，而自动气象站传感器种类多样，同类传感器型号不同输出信号也有差异，本文针对常用自动气象站传感器设计了一种能够支持多型号，具有数据采集、智能处理的自动气象站传感器采集系统，该系统以STM32为核心处理器，信号测量的准确度指标达到较高水平。文章从该系统的研究背景、研究方法、功能特点，设计方案与原理等方面进行了叙述。

关键词：气象传感器；信号采集；智能处理

中图分类号：S16 文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190530064

引言

近年来，以自动气象站为主的地面气象探测设备向智能化、多型号方向发展，传感器种类及型号均呈现增多的趋势，不仅种类多样，而且同类传感器型号不同输出信号也有差异。

在气象要素观测设备设计及地面气象探测设备维修保障过程中，经常需要采集处理各类气象传感器输出信号，本文针对常用自动气象站模拟信号输出的传感器设计了一种能够支持多型号，具有数据采集、智能处理的自动气象站模拟信号传感器数据采集系统，该系统以STM32为核心处理器，信号测量的准确度指标达到较高水平。

本文所述系统实现了模拟信号输出传感器的采集测试，用于设计地面常规气象要素探测设备，同时完成在用自动气象站传感器现场测试任务或备份自动气象站传感器离线测试任务。

本设计基于STM32微处理器开发，具有高性能、低功耗的特点。通过STM32系统自带的库函数开发嵌入式固件程序控制外围功能电路实现信号通道控制、輸入信号采集、屏幕输入输出显示控制等功能。

1 自动气象站常用模拟信号输出传感器

按照电性能参数划分，自动气象站传感器可分为模拟传感器、数字传感器和智能传感器3种类型。模拟信号输出传感器将感应到的气象要素值转换成电阻、电容、电压等模拟信号输出，如空气温度、空气湿度、蒸发传感器。数字传感器将感应的被测气象要素值转换成脉冲或频率等串行计数信号或并行数字电码信号输出，如风向、风速、雨量传感器。智能传感器是一种带有微处理器的传感器，具有一定的采集和处理功能，能直接输出被测要素的采样值或观测值，如温湿度智能传感器和气压传感器[1]。目前国内使用的自动气象站常用模拟信号输出的传感器如表1所示。

2 系统硬件电路设计

系统硬件包括供电单元、接口单元，LCD显示屏、主控单元、模拟信号测量单元、数字信号测量单元、智能信号读取单元等构成，系统硬件组成结构图如图1所示。

2.1 电源模块

电源模块在电子电路设计中占有重要的位置，整个产品设计是否能够成功在很大程度上取决于电源设计是否稳定。考虑本系统在室外的应用需求，设计中使用了锂离子电池及充放电控制电路[2]。充放电控制电路原理图如图2所示。

CN3704是PWM降压模式锂电池充电管理集成电路，具有独立、自动管理对锂电池充电功能。封装外形及尺寸较小，所需外围元器件少和使用简单等优点。具有恒流和恒压充电模式，在恒压充电模式，CN3704将电池电压调制在16.8V，精度为±1%；在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的锂电池，当电池电压低于11.2V时，CN3704用所设置的恒流充电电流的15%对电池进行涓流充电。在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到外部电阻所设置的值时，充电结束。在充电结束状态，如果电池电压下降到16V时，自动开始新的充电周期。

在自动气象站备份传感器离线检查测试过程中需要为传感器提供激励源，目前我国在用自动气象站传感器使用的电源一般为直流12V或直流5V。另外，系统核心处理板需要直流3.3V电源。输出+12V电源电路原理图如图3。

TPS5430是一个高输出电流PWM转换器，集成了低阻抗N沟道MOSFET。其内部集成了一个高性能的电压误差放大器，在瞬态条件下有严格的电压调节精度，具有欠压锁定功能，以防止输入电压达到5.5V时启动；内置慢启动电路限制浪涌电流，电压前馈电路改善瞬态响应。其他功能还包括一个灵敏的高电平使能端、过电流保护和热关机。

使用多片TPS5430用于提供不同的电源，可以通过调节TPS5430的VSE管脚电压来达到改变输出电压的目的，也即合理设置R20、R21、R30的阻值就可以输出+5V及+3.3V电源。

2.2 主控单元、显示控制单元简介

现代电子产品设计一般应用可程序控制的MCU作为核心单元，完成电路的逻辑控制。利用MCU丰富的片上资源及嵌入式程序开发快速完成产品设计并降低硬件开销。一般微控制器的选择根据需求选择适当的型号，本文所述设计中微控制器采用ARM Cortex-M3构架芯片作为主控制器，所用型号为STM32F103VCT6，片上资源包括80个快速I/O，2个12位AD，7个定时器，9个通信接口，完全符合需求。本文中微控制器完成信号输入通道选通控制、信号采集处理，TFT液晶显示器显示控制，按键输入控制等功能。

显示屏可以选择LCD屏或LED屏，不同的显示屏有不同的驱动方式，需要根据需要及核心处理器片上资源进行合理选择。在智能设备中按键设计一般使用矩阵式键盘，需要根据功能划分确定按键数量，按键数量的多少直接影响操作目录的层数，一般按键数量越多操作目录的层数越少，但按键太多不仅会增加硬件开销，而且操作不便。本文中所述系统根据需求采用了3.2寸TFT液晶显示器及4×5矩阵键盘。

2.3 传感器模拟信号测量单元

目前国内常用自动气象站模拟信号输出的传感器主要有温度传感器、湿度传感器、使用直流电压输出的气压传感器、使用直流电压输出的风向传感器、直流电流输出的蒸发传感器、辐射传感器6种。按照复用电路设计原则，六路信号分时采用一片A/D转换器，所以在前端需要信号选通控制单元[3]。模拟输出信号转换控制电路原理图如图4。

圖4中使用2片ADG408BRZ分别作为差分模拟信号的高端、低端选通控制，ADG408BRZ是一款单芯片CMOS模拟多路复用器，内置8个单通道。AIN1～AIN6分别为温度、湿度、气压、风向、辐射、蒸发传感器输出信号，A0、A1、A2为二进制地址线用于将8路输入之一切换至公共输出D端。该器件的EN输入为芯片使能端，用来使能或禁用器件，高电平有效，故在图中接VCC高电平。两路ADG408BRZ输出信号经整流滤波后接入数字可编程增益仪表放大器AD8253ARMZ进行信号放大，AD8253是具有低输出噪声、低失真特性，高采样速率的模数转换器。图4中AD8253管脚6接负电压为透明增益模式，微控制器通过控制A1、A0电平高低可以根据需求程序设置实时信号的增益为1、10、100或1000。AD8253管脚7为信号输出，输出信号经滤波后进入A/D转换器ADS1100输入信号高端，ADS1100为全差分输入、16位分辨率、有自校准功能的精密A/D转换器。A/D转换器输出信号SDA为数字信号，接入微控制器I2C端口ADS1100的SCL为时钟线。

在图4模拟信号处理中可以发现还需要-12V，基准5V（REF5V）电源，2种电源电路原理图如图5所示。

在模拟输出信号采集处理过程中温度传感器和蒸发传感器比较特殊，温度传感器为四线制铂电阻，蒸发传感器输出一个小电流，都不能被A/D转换器直接处理。按照四线制电阻测量原理，需要给传感器提供一个恒流源，恒定电流流通传感器后产生电压降，同样蒸发传感器输出的电流先输入一个标准电阻产生电压降，然后再通过信号处理系统进行采集。恒流源产生及蒸发信号处理电路原理图如图6，I-SOU为输出的2mA恒流源。

3 固件软件设计

本设计包涵了大规模的固件程序设计，用以完成LCD屏显示控制、外围功能电路控制、矩阵键盘扫描、采集数据的解算等。固件程序使用STM32自带标准外设库、函数库开发，具有开发速度快、易读易维护的特点。开发过程中采用了模块化设计，易于调试和功能扩展。

开机后系统首先进行初始化，包括硬件IO初始化配置、定时器初始化、LCD液晶初始化、键盘接口配置、默认状态设置及显示等。自检后进入默认状态并等待用户的按键操作，用户操作后系统进入用户设置状态进行数据采集。

4 系统测试

本文所述系统设计定型后经过了系统的测试，主要测试了模拟信号采集的准确度。使用的对比设备为吉时利2000型6位半数字万用表，经比对，采集系统与新型自动气象站的指标相符。

5 结束语

经过设计、制作与测试，自动气象站模拟信号传感器数据采集系统能够稳定可靠运行，可以作为地面气象探测设备的测试测量仪器，应用于自动气象站现场检查测试业务。

参考文献

[1] 刘一.基于STM32的嵌入式系统设计[M].北京：中国铁道出版社，2015.

[2] 刘延飞.现代电子系统设计与实践[M].西安：西北工业大学出版社，2011.

[3] 远坂俊昭.测量电子电路设计[M].彭军.北京：科学出版社，2006.