一种海泽自动气象站数据采集控制器的设计

1气象传感器

目前,海洋自动气象站上的气象传感器有风速风向、相对湿度、气温、气压、雨量、长波辐射和太阳短波辐射传感器,其中风速风向、相对湿度、气压、雨量、长波辐射电压值和太阳短波辐射电压值均为电压输出,具体输出电压如表1所示,而气温、长波外壳温度和长波穹顶温度为电阻输出。

2高精度AD芯片

本系统采用了两款高精度AD转换芯片一AD7193和AD7793。它们均是由亚德诺公司推出的24位8-A型模数转换芯片,广泛应用于数据采集和精密仪器仪表的制造中。

AD7193集合了过采样、抽取滤波和量化噪声整形三项技术,具有更好的抗混叠性能和更高的分辨率。AD7193可使用外部晶振驱动,也可使用4.92MHz内部晶振。若想得到更高的转换精度,只能减小转换速率。器件的数字部分与模拟部分相互隔离,两部分的供电电压范围均为3~5.25V。

电阻类传感器的测量由AD7793芯片来完成。该芯片也内置了24位的8-A型模数转换器,并内部集成了低噪声可编程仪表放大器,可直接用于采集微弱信号。AD7793内置了一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源,可作为器件工作时的电压基准。芯片还提供两个可编程激励电流源,极大地方便了分压法测量电阻。

3模拟电路设计

3.1电压模拟信号采集电路

模拟电压信号测量电路的原理图如图1所示,电路共包含三个AD7193芯片。片内的多路复用器将每个芯片通道扩展为四路差分通道,故系统共可以测量十二路差分模拟电压输入。

AD转换芯片的模拟电源AVDD和数字电源DVDD是分开供电的。为了将模拟部分受到的干扰降至最低,系统采用模块化设计。将每个AD芯片及其外围电路都单独设计为一块独立电路板,每一块AD采集板都以最简的电路设计和最少的元器件布局做到最大程度降低其受到数字电路干扰的可能性。

3.2电阻类传感器测量

待测量的电阻传感器有Pt100和长波辐射计的CaSe热敏电阻、Dome热敏电阻,它们都是用于测量温度的,但用途却不尽相同。Pt100用于测量大气温度,而CaSe热敏电阻和Dome热敏电阻用于测量长波辐射计内部温度,且此温度只用于长波辐射强度的计算。

四线制Pt100测温的原理图如图2所示,其中上、下两部分分别为长波辐射计热敏电阻的测量电路和Pt100的测量电路。

Pt100铂电阻阻值可由式(1)求得:

长波辐射计内热敏电阻的测量原理与Pt100测量方法相同,也是采用了同样的标准电阻与待测电阻串联,利用分压法计算待测量电阻值。

4数据采集控制器硬件及软件

4.1硬件

海洋自动气象站主控芯片用意法半导体的STM32F103系列单片机,AD转换芯片将转换结果以SPI通信的方式传输给主控芯片,装有文件系统的SD card可将传感器原始数据完整保存。

4.1.1系统控制器

以ARM内核的32位单片机作为海洋自动气象站数据采集系统的控制器和数据处理器。

STM32的单片机外设丰富、电路简单,故选用了其F103系列芯片,单片机外围电路如图3所示。

4.1.2AD779M芯片的通信过程

在通信过程中,单片机作为主机,AD芯片作为从机。AD779M的片选信号低电平有效,故TCU与AD779M的通信以片选信号的下降沿开始。AD779M操作寄存器的方式为:首先对芯片的通用寄存器进行写操作,写入通用寄存器的数据决定了下一步是对芯片进行写操作还是读操作以及所要操作的寄存器地址。然后便是对所选中的寄存器进行读或写,若是写操作,AD779M将会把后续收到的l6字节的配置数据直接写入到相应寄存器中;若是读指令,主机需要提供足够的时钟脉冲,AD779M会将指定寄存器的数据置于D0US/RDY引脚发送给主机。操作完成之后,接口就会返回到对通信寄存器执行写操作的状态。

AD779M最简单转换模式,只需将相应的配置信息写入模式寄存器,芯片便可自动进入单次转换模式。转换完成后,将D0UT/RDy引脚拉低,待控制器读取数据寄存器数据后,芯片便进入关断模式,等待下一次指令唤醒。单次转换的时序如图4所示。

AD7193的通信过程与AD7793基本类似,只是在数据读取过程存在一些差异。

4.2软件流程

STM32一般用C语言进行编程。C语言是世界上应用最为广泛的计算机编程语言之一,它拥有代码量小、运行速度快、功能强大等优点。在本系统中选用MDK作为开发工具。

单片机与AD7193、AD7793的通信从片选信号CS引脚变为低电平开始,以片选信号电平拉高结束。在进行模拟量转换之前,要先进行校准。AD7193和AD7793包含多种校准模式,本系统中应用了其内部校准模式。内部零电平校准用于消除芯片的零点漂移,内部满量程校准则用于消除芯片的增益误差。进行内部零电平校准和满量程校准过程中,芯片内部提供的零输入或满量程输入会与芯片待校准通道引脚自动相连,从操作上看,相当于进行了一次模数转换。校准转换完成后,芯片会自动将在内部零电平校准中测得的失调系数写入失调寄存器,将在内部满量程校准中测得的满量程系数写入满量程寄存器。后续的转换过程中,各通道的转换结果需要分别利用各自的校准寄存器进行修正,先减去失调系数,再乘以满量程系数,才能写入数据寄存器。

单片机与AD7193的具体通信过程如图5所示。

AD7793的通信过程与AD7193不同,原因主要在于AD7793无法同时使能多个模拟转换通道,开启一次转换只能测试一个通道。片选引脚拉低之后,便可设置模式寄存器和配置寄存器,设置激励电流源大小,开启单次转换模式,ADC便进入相应通道的转换过程中。等待转换完成并读取转换结果,完成后再次对配置寄存器进行写操作,改变使能通道,而保持激励电流源等设置不变,进入下一通道的转换,直至此芯片的每一个通道都执行完成转换操作,便进入下一AD7793芯片的转换过程。循环采集三十组电压数据,取平均值并用于计算待测电阻阻值。单片机与AD7793的具体通信过程如图6所示。

5结语

该数据采集控制器主要由ARM芯片、AD7193、AD7793等组成,通过软件编程实现对电压、电阻信号的采集,特别是长波辐射和短波辐射的微弱电压信号的采集。应用到实际的海洋自动气象站中,取得了不错的效果。