楊習(xí)成，邊志剛，肖鴻飛
（天津海事測(cè)繪中心，天津 300222）
摘要：本文介紹了8位STC89C52RC單片機(jī)嵌入技術(shù)，以DS12C887時(shí)鐘控制芯片和外圍硬件電路，并采用數(shù)字濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)潮位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，同時(shí)擴(kuò)展了對(duì)環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)采集，通過(guò)無(wú)線通訊鏈路連接到監(jiān)控中心的PC機(jī)，在監(jiān)控中心登陸水文信息發(fā)布系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)監(jiān)控各水文站的潮位信息和周邊環(huán)境信息，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)以備后期查詢、管理和應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；數(shù)字濾波；遠(yuǎn)程監(jiān)控；潮汐；網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測(cè)
當(dāng)前的水文數(shù)據(jù)采集器都是針對(duì)某一種液位傳感器而設(shè)計(jì)，而液位傳感器與水文采集器彼此不能兼容，制約了數(shù)據(jù)的采集與傳輸。因此，研制一套綜合的水文氣象采集集成系統(tǒng)，使其能夠廣泛適用不同環(huán)境，同時(shí)兼容多型號(hào)、多類別的液位和氣象傳感器顯得尤為重要。
1.1 系統(tǒng)框架
圖1 系統(tǒng)框架
1.2 系統(tǒng)工作原理
考慮到各驗(yàn)潮站設(shè)置在沿海各港口，空間跨度較大，因此數(shù)據(jù)通訊傳輸利用現(xiàn)有的移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商（如電信）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。各驗(yàn)潮站的水文采集器將采集的水文和氣象信息首先由運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)送達(dá)到固定基站，再由基站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送回監(jiān)控中心。同時(shí)考慮了某些地區(qū)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不完整情況，也可通過(guò)基于北斗衛(wèi)星無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)字通信。
1.3 傳感器的種類和數(shù)據(jù)輸出方式
目前廣泛應(yīng)用的潮位測(cè)量傳感器主要有壓力式、浮子式、超聲波式、雷達(dá)式等，超聲波傳感器由于受溫度、濕度、鹽霧的影響較大，目前較少使用。環(huán)境要素監(jiān)測(cè)傳感器主要有能見(jiàn)度、氣象和霧等。上述傳感器為工業(yè)級(jí)通用傳感器，它們的的信息輸出均為電流形式或串口形式，電流形式是將采集到的信息以4～20 mA的電流為輸出表現(xiàn)形式，串口形式為485和232串口，若是電流形式，采用ADAM4118電流轉(zhuǎn)485串口模塊完成，若為串口形式，只需在水文采集器的硬件電路中增加相應(yīng)的串口電路即可完成對(duì)相應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)接入。
2.1 數(shù)據(jù)采集硬件框架
水文數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)框架如圖2。
圖2 水文氣象采集器硬件框架
2.2 硬件組成及描述
1）CPU采用STC89C52RC芯片作為主控制器，其為51系列單片機(jī)的增強(qiáng)版，有很強(qiáng)的抗電磁干擾性，最大優(yōu)點(diǎn)是軟件可通過(guò)串口直接下載，方便了今后現(xiàn)場(chǎng)軟件的更新。
2）鍵盤是人機(jī)對(duì)話的“工具”，操作亦簡(jiǎn)單，只設(shè)置4個(gè)按鍵，即一個(gè)設(shè)置鍵用于開始時(shí)鐘設(shè)置，上、下箭頭鍵用于更改相應(yīng)位的數(shù)字，一個(gè)確認(rèn)鍵。顯示器顯示當(dāng)前信息。
3）時(shí)鐘控制器采用DS12C887芯片，該芯片是美國(guó)達(dá)拉斯芯片公司的產(chǎn)品，也是當(dāng)前使用較廣的時(shí)鐘芯片，該芯片還有113個(gè)字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），自帶電池，在斷電的情況下仍可完成芯片內(nèi)的時(shí)鐘行走，再次上電也不需再進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)置。
4）利用SD卡存儲(chǔ)所采集的水文和氣象信息是一大優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的水文數(shù)據(jù)采集器采用RAM存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)空間小，數(shù)據(jù)要壓縮存儲(chǔ)，需要定時(shí)前往水文站點(diǎn)進(jìn)行“清盒”操作，若未及時(shí)處理容易造成數(shù)據(jù)溢出，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不完整。而SD卡存儲(chǔ)空間大，支持熱插拔，方便管理人員現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的下載，用SD卡存儲(chǔ)采集器采集的數(shù)據(jù)，不需進(jìn)行上述定期“清合”操作，該SD卡模塊支持4 G存儲(chǔ)空間，一次采集數(shù)據(jù)共有57字節(jié)，包括時(shí)間、潮位、能見(jiàn)度、氣象信息，按照五分鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，一天共采集24，包括時(shí)間、潮位、次，一年的存儲(chǔ)量約7 M（288年的存儲(chǔ)量潮位），4 G存儲(chǔ)空間能較好地滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的需求。
5）數(shù)字控制電路采用CD4052芯片完成，由于顯示屏、SD存儲(chǔ)卡、485和232串口都是串口形式，CPU需要控制該芯片完成相應(yīng)串口的端口操作。
6）電流輸出傳感器可通過(guò)ADAM4118轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成485串口輸出形式，該模塊支持八路電流輸入信號(hào)，八路的電流輸入也完全滿足水文采集器所需電流傳感器數(shù)量的要求，而且備有一定輸入端口用于今后電流傳感器的擴(kuò)展所用。
7）串口電路包括485和232兩種形式的串口，CPU控制串口控制電路選擇相應(yīng)的串口連接，由于所有的傳感器包括DTU都是通過(guò)串口與CPU連接（4～20 mA電流也是通過(guò)ADAM4118轉(zhuǎn)換成485串口形式），485串口由MAX485芯片完成、232串口由MAX232芯片完成，串口控制電路仍用CD4052芯片完成，CPU只需控制該芯片即可完成相應(yīng)串口的操作。
8）電源和電壓監(jiān)測(cè)控制電路主要是為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠電源，主板的5 V電源采用K7805的開關(guān)電源提高電源的利用效率，由于設(shè)備安放地有可能沒(méi)有市電，可通過(guò)太陽(yáng)能板為蓄電池組充電，由蓄電池組為其提供12 V直流電，加裝電壓監(jiān)測(cè)電路由LM311芯片完成，該電路用于監(jiān)測(cè)電源電壓，當(dāng)電瓶電壓低于10.8 V或高于14.8 V則向CPU報(bào)警，CUP向監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)時(shí)將電瓶電壓的正常與否一并上傳至監(jiān)控中心，便于管理人員到現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。
2.3 傳感器說(shuō)明
該水文數(shù)據(jù)采集器所接入的傳感器主要形式如下：
壓力式水位計(jì)：MPM4700液位變送器，數(shù)據(jù)輸出是4～20 mA電流形式。
浮子式水位計(jì)：SWY系列浮子式水位傳感器，數(shù)據(jù)輸出是4～20 mA電流形式。
導(dǎo)波雷達(dá)式水位計(jì)：VEGAPULS WL61，數(shù)據(jù)輸出是4～20 mA電流形式。
激光式水位計(jì)：FTM-50，數(shù)據(jù)輸出是串口232形式。
氣象傳感器：WXA100-06氣象六要素傳感器，數(shù)據(jù)輸出是串口485或232形式。
能見(jiàn)度：NJD-1能見(jiàn)度傳感器，數(shù)據(jù)輸出是串口485或232形式。
3.1 設(shè)計(jì)流程
1）主程序流程
圖3 系統(tǒng)主程序流程
2）時(shí)鐘中斷子程序流程
圖4 時(shí)鐘中斷子程序流程
3）鍵盤中斷子程序流程
圖5 鍵盤中斷子程序流程
3.2 主程序“看門狗”
上述流程圖已示明了程序處理情況，程序執(zhí)行相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位，由于設(shè)備工作在無(wú)人值守狀況，CPU開啟內(nèi)置了看門狗（Watch Dog）電路，其作用是如果CUP受強(qiáng)電磁干擾造成程序跑飛而死機(jī)時(shí)復(fù)位CPU，CPU熱啟動(dòng)后跳過(guò)初始化，程序?qū)⒃谂茱w處的相應(yīng)標(biāo)志位處繼續(xù)執(zhí)行，以使程序運(yùn)行相對(duì)連貫，保證數(shù)據(jù)采集完整性。
3.3 時(shí)鐘中斷子程序中的濾波
潮位數(shù)據(jù)是本設(shè)備采集的主要數(shù)據(jù)。考慮到驗(yàn)潮井內(nèi)海面涌浪的干擾，對(duì)潮位的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確與否是非常重要的，因此加入數(shù)字濾波技術(shù)以滿足潮位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，數(shù)字濾波采用的是防脈沖干擾平均值濾波，相關(guān)文獻(xiàn)指出此方法對(duì)溫度和液位有良好的濾波效果，數(shù)學(xué)公式是A=[A2+A3+AN-1/(N-2)]，即一次采集N個(gè)數(shù)據(jù)，從小到大排序，剔除最小和最大的數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)作平均值處理。在此采集13組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)之間有10 ms延時(shí)，數(shù)字濾波后作為本次采集的數(shù)據(jù)。所有采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HEX（十六進(jìn)制）碼格式進(jìn)行計(jì)算和處理，最后再轉(zhuǎn)換成ASC碼格式存儲(chǔ)和上傳，采用HEX碼是便于CPU作數(shù)據(jù)處理，而ASC碼便于管理人員實(shí)施數(shù)據(jù)管理等工作。
3.4 鍵盤中斷子程序
鍵盤處理程序用于對(duì)時(shí)鐘的設(shè)置，可分別對(duì)時(shí)鐘的年、月、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行設(shè)置。水文數(shù)據(jù)采集器實(shí)物連接如圖6所示。
圖6 水文數(shù)據(jù)采集器實(shí)物連接
現(xiàn)將在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的一組數(shù)據(jù)說(shuō)明如下：
每組由字母K開始、E結(jié)束，t表示水位，V表示電源電壓是否正常（“1”正常、“0”表示不正常），v表示大氣能見(jiàn)度，再后面是氣象六要素，T、H、S、D、P、R分別表示溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、雨量，另外溫度T后的“+”表示零上，“-”表示零下。
上述一組數(shù)據(jù)意義為：2月20日15時(shí)15分潮位1.478 m、電源電壓正常、大氣能見(jiàn)度是554 m、溫度和濕度分別是22.6 ℃和8 %、風(fēng)速和風(fēng)向分別是0.5 m和112°、氣壓和雨量分別是1 025.8 mBar和0 mm。
為評(píng)估接入水文氣象采集傳感器所采數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，在天津港臨港工業(yè)區(qū)碼頭安裝該水文氣象數(shù)據(jù)采集器，與國(guó)家海洋技術(shù)中心的CZY1-1型海洋站自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。比對(duì)結(jié)果如表1所示。
表1 兩種設(shè)備采集的數(shù)據(jù)差值比對(duì)
要素平均差值均方差值最大差值最小差值 樣本數(shù)潮汐-0.38 cm0.882 cm -3.5 cm 173個(gè)氣溫0.15 ℃ 0.692.39 ℃ -2.4 ℃ 439個(gè)濕度0.26 % 2.238 % -7 % 439個(gè)氣壓-1.20 hPa0.10-0.9 hPa -1.4 hPa 439個(gè)風(fēng)向-8.18° 31.64162° -163° 439個(gè)風(fēng)速-0.40 m/s1.024.3 m/s -3 m/s 439個(gè)
表中數(shù)據(jù)表明，經(jīng)本設(shè)備采集的水文氣象數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，比對(duì)不符值滿足有關(guān)規(guī)范要求。
基于單片機(jī)嵌入技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)研發(fā)的水文氣象采集器，其優(yōu)勢(shì)在于采集的數(shù)據(jù)安全可靠，操作簡(jiǎn)便，且有較好的人機(jī)交互性和多傳感器兼容性，實(shí)現(xiàn)了多種水文、氣象傳感器的綜合集成，表現(xiàn)出良好的一機(jī)多用性能。該產(chǎn)品2016年6月已獲由國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實(shí)用新型證書（證書號(hào)第5267431號(hào)，專利號(hào)：ZL 2015 2 0969499.7），程序算法有獨(dú)立的軟件著作權(quán)。實(shí)踐表明，該水文氣象采集集成系統(tǒng)適用于安裝在沿海港口，島礁上建立的無(wú)人值守的水文氣象站網(wǎng)中，對(duì)保證水運(yùn)工程水文測(cè)量精度，提高工作效率將起到重要作用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 高衛(wèi)東. 51單片機(jī)原理與實(shí)踐[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.
[2] 張毅坤. 單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 西安電子科技大學(xué)出版社, 2007.
[3] 鞠家欣. 現(xiàn)代數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.
[4] 朱恩. 集成電路設(shè)計(jì)[M]. 電子工業(yè)出版社出版, 2012.
[5] Robert A Pease. 模擬電路故障診斷[M]. 人民郵電出版社, 2007.
[6] 王毓銀. 數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)：脈沖與數(shù)字電路第三版[M]. 高等教育出版社, 2008.
[7] 趙建領(lǐng). 51系列單片機(jī)開發(fā)寶典[M]. 電子工業(yè)出版社出版, 2007.
[8] 郭天祥. 新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M]. 電子工業(yè)出版社出版, 2008.
Research and Design of Hydrological Data Acquisition Unit Based on Technique of Embedded Single-chip Microcomputer
Yang Xicheng, Bian Zhigang, Xiao Hongfei
(Tianjin Hydrographic Center, Tianjin 300222, China)
Abstract：An introduction to the technique of embedded 8-bit stc89c52rc single-chip microcontroller is given in detail, which involves not only the accurate acquisition of tidal data by using digital filter based on DS12C887 clock control chip and the peripheral hardware circuit, but also the monitoring and acquisition of environmental factors. Real-time monitoring of the tidal and environmental information collected by all hydrological stations can be realized by logging in hydrology information release system subject to the connection of a wireless communication link with PC in monitoring center. The above data will be stored in a database for later query, management and application.
Key words：embedded system; digital filter; remote monitoring; tide; network; environmental monitoring
中圖分類號(hào)：X830.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-9592（2017）01-0105-04
DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20170124
收稿日期：2016-07-22
作者簡(jiǎn)介：楊習(xí)成（1959-），男，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備研發(fā)工作。
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