海气边界层监测系统设计

门雅彬，成方林，张翼飞，张 齐

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海气边界层监测系统设计

门雅彬，成方林，张翼飞，张 齐

（国家海洋技术中心，天津 300112）

介绍了以RS-485为控制总线的海气边界层监测系统设计。通过RS-485总线，监控主机与数据变送器和智能传感器可以直接进行通信，简化了系统结构，实现了系统测量节点的分散控制和集中管理。给出了系统主控制板的硬件组成框图，描述了硬件设计原理和通讯协议设计，给出了主程序流程图。经过实际应用表明，该系统具有安装使用方便，可靠性高的特点。

海气边界层；分布式采集系统；RS-485总线；数据采集器

海气交换是海洋与大气之间进行能量和动量的交换，对全球的海洋气候有巨大的影响。海气边界层监测系统的主要功能是连续、自动获取海洋与大气之间的温湿、风速、风向梯度数据和气压等气象要素数据以及海表水温、潮汐等水文数据,并进行实时显示、存储和传输。

系统的气象测量传感器分层次安装在观测铁塔上，每一层包括温湿和风速风向传感器；水文传感器包含一个表层水温传感器和一个水位传感器。系统要求安装方便、可扩展性强、方便维护，可以灵活配置传感器层数。如果采用传统的集中式数据采集方案，会存在以下问题：首先在传感器层数较多的情况下，需要设计较多的模拟输入端口和频率计数端口，硬件设计复杂，难度增加。其次，硬件设计方案确定后，将无法根据传感器安装的层数的变化进行灵活配置，不便于系统的扩展和维护，不符合系统的设计要求。最后，观测铁塔高度较高，传感器安装位置分散，采用集中式设计必然导致电缆布线数量大，并进而影响信号测量准确度。因此，采用传统的集中式数据采集方法显然已难以满足项目要求。而如使用完全的分布式采集方案，每一个传感器都需要配置一个数据采集器，使其具备采集传输数据的能力，采用这样的采集方案，对于某些分布比较集中的传感器，硬件设备投入较大，造成不必要的冗余。

本文所提出的分布式与集中式混合采集模式具有一定的创新性，成功地对上述问题进行了解决。考虑到系统的特点和布线的局限性，在系统的采集和集成方案中，采用分区式管理的方式，即将整个系统看成一个整体，在此基础上依据功能和空间范围划分为铁塔测量子系统、水文测量子系统和数据采集子系统。具体实现方法是铁塔每一层都需要安装一套温湿、风传感器，每一层都有一个相互独立的分布式测量节点单元——数据变送器，负责完成温度、湿度、风速、风向的采集，并采用RS-485总线技术与数据采集器进行交互通信。系统中的水文传感器和气压传感器信息由数据采集器直接集中式采集。这个方案具有现场布局和布线相对简单，层次划分清晰，便于系统规模的增减，方便现场测试和简化故障点排查的优点。

1 系统的硬件设计与实现

系统的硬件分为主控制部分和数据变送器部分。其中主控制板是数据采集器的核心部分，需要按预定协议和观测规范采集、接收、处理、存储各路数据变送器节点和各传感器的测量数据，并将测量结果通过光纤传输至上位计算机，对计算机发出的各种命令予以响应。海气边界层监测系统由多种测量传感器组成测量单元。例如，数据变送器完成各路温湿传感器和风传感器的数据采集；水温与水位传感器完成海水温度与水位的测量。上述测量单元与主控制板采用RS-485总线实现数据通讯与交互。RS-485作为一种多点、差分数据传输的电气规范现已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。系统采用RS-485总线的优点是拓扑结构明晰、每一路智能传感器节点是一个独立运行的子系统，通过一根RS-485通信电缆即可对所有的节点进行采集，气压传感器完成大气压力测量，输出的模拟信号范围是0～5 V，占用主控制板的模拟采集通道0。

1.1 数据变送器设计

数据变送器的作用就是对气温、相对湿度、风速、风向和工作电压进行采集处理，并通过RS-485总线与数据采集器通讯。系统有多个数据变送器，分层次安装在铁塔仪器架上，它的拓扑结构图如图1所示。

图1 数据变送器拓扑结构图

RS-485总线为并接式三线制（包含一个地）接口，总线上只要有一个节点发生故障就有可能将总线“拉死”。因此，数据端口A、B与总线之间应加以隔离。在这里我们的做法是，A、B与总线之间各串接一只100 mA的PTC自恢复保险，同时与地之间各跨接5 V的TVS二极管，以消除线路浪涌干扰。

需要注意的是，许多人错误地认为RS-485是两线制，并不包括地线。实际上RS-485总线的构成是一个信号差分对和一个地返回线，系统也许没有这个地返回线也可以工作，但是会处于极不可靠的状态之中。这是因为RS-485总线在差模电压为-7～+12 V之间才可保证通讯的正确性。如果超过此范围，数据将丢失，端口也可能损坏。信号地线的功能是将每个节点的信号地连接到一个共同的地上，这个地的作用是用来保持共模电压。如果系统没有设计和连接地线，将影响系统总线的可靠性并带来噪声。接口电路在设计中采用了DC/DC转换模块将系统电源和RS-485收发器的电源隔离；采用光耦将差分信号线隔离，通过以上几项措施，彻底消除了共模电压的影响。

1.2 主控制板硬件设计

海气监测系统主控制板组成原理框图如图2所示，具有如下的功能：

（1）获取气压传感器、多层数据变送器实时测量数据；

（2）获取海表水温和水位水文数据；

（3）对原始数据进行运算处理，生成符合规范要求的数据，并将数据存入FLASH和SD卡中；

（4）通过与上位机的命令交互，完成数据向上位机的传输、系统设置、参数设置等功能；

（5）监控各传感器和系统工作状态，检测到异常时，点亮报警指示灯，并向上位机输出报警语句。

系统的主控MCU振荡频率是11.059 2 MHz。系统通讯数据总量较大，为了缓冲各传感器和程序运行所需的临时数据，外扩了高速静态存储器。为了获取测量数据的时标，扩充了一片实时时钟芯片。

如上所述，系统需要集成多种串行传感器，并需要与变送器节点和上位机进行通讯，而主控MCU只具有2个串行UART，无法满足需求。本设计使用四串口扩展（UART）器件扩充了4个串口，通过电平转换芯片分别连接水位传感器、水温传感器、SD卡存储模块和数据变送器。串口扩展器件在系统中的主要作用，一是把从外部设备接收进来的串行数据转换成并行数据；二是把CPU的并行数据转换成串行数据以利于发送。芯片4个串口共用1个中断请求引脚和3个中断状态寄存器，大大提高了CPU中断服务程序执行效率。

图2 主控板硬件组成框图

2 系统软件设计

2.1 RS-485通信节点软件设计

海气监测系统中数据采集器是主设备，数据变送器为从设备。为了对数据变送器进行区别，为其设置了相应的地址。由于系统使用的通讯方式是RS-485半双工通信，如何避免各分机争抢总线，发生数据碰撞造成数据的丢失甚至总线的死锁是首先需要考虑的问题。本文的方案是，总线上的数据采集器处于主机地位，每隔3 s轮询各数据变送器一次，轮询到哪个数据变送器则哪个占有总线，总线的使用权完全由主机分配，各子节点不能擅自占领总线，也不允许主动发起通信。具体实现方法是，每隔3 s，数据采集器发出索要第一个数据变送器数据命令，并等待回传测量数据，超过规定的等待时间仍然没有收到节点返回的数据，认为该路结点通讯失败。值得一提的是，系统等待节点回传测量数据并不是采取软件死等的方法，而是采用分时多任务的方法来实现。具体实现方法是：为每个数据变送器设置一个时间片（如200 ms）。数据采集器发出索要数据命令后，在中断服务中开始对这个时间片进行减计数，主程序判断时间片为结束时还未收到节点响应数据，才认为该节点通讯失败。采用这种调度机制，可以大幅提高数据采集器CPU的运行效率。

2.2 嵌入式软件设计

本设计使用的嵌入式软件开发平台是Windows环境中的keil C51 V9.00集成开发环境。程序设计语言采用汇编语言与C语言混合编程。设计语言是以C语言为主，汇编语言主要完成MCU的初始化设置。软件采用模块化设计，提高了程序的可移植性和可维护性。系统的软件主要分为初始化模块，气压采集模块，数据获取模块，数据处理模块，数据存储模块、串口发送模块和中断服务程序模块等构成。初始化程序仅在系统复位及程序开始时执行一次，完成MCU初始化及外围芯片的初始化；气压采集模块通过模拟量输入端口采集大气压力；数据获取模块负责数据变送器节点和智能传感器进行交互，获取它们的测量数据。数据处理模块负责对采集到的各传感器的原始数据进行分析处理，生成符合系统要求的数据。数据存储模块每分钟工作一次，完成数据向FLASH和SD卡的写入。串口发送模块在整分钟时刻向远端监控主机发送预定格式数据帧。

图3 主程序软件流程图

主程序软件流程如图3所示。

根据观测规范，需要存储的特征数据有以下4类：

（1）气象数据：多路温度、湿度、风速、风向数据，气压数据；

（2）水文数据：水温、水位；

（3）工作状态：CPU温度、工作电压、复位时间等；

（4）系统配置信息：如传感器层数、传感器修正系数等。

按每分钟存储一次特征值计算，24 h连续运行模式下，至少可以存储3个月数据。

为了方便数据的处理和存储，所有的浮点测量值和负测量值，经过约定的规则处理后变换成正整数值。系统的存储结构采用循环缓冲存储结构，这种结构被广泛用于连续流数据的存储和通信。具体的实现方法是为每天需要存储的数据开辟一块连续的存储区，每分钟依次写入一次测量数据，随即指针地址移动到下一个写入区域，当写入到芯片存储区末尾的时候，再从存储区的首部开始写入数据。

为存储每分钟一次的实时数据帧，系统还设计了一个SD卡存储模块，存储模块每天在SD卡上生成一个数据文件。文件名称的格式是：YYMMDD.TTZ。其中YY代表年，MM代表月，DD代表日。每整分钟时刻向SD卡存储一次观测数据。当实时时钟是23时59分时，存储该分钟的数据后，自动将当天的文件关闭。在每天00时00分时，新建一个数据文件，并打开该文件，写入该分钟的实时数据帧，保存文件。

2.3 上位机软件设计

上位机软件采用Visual C++Builder 6.0编写，操作系统选用Windows XP。软件主要功能是接收数据采集器发送的观测数据，并对数据进行保存、处理和发送（通过北斗通信机将原始观测数据发送到数据中心）。此外，软件还具有数据调取功能，可以读取数据采集器中保存的原始观测数据。

2009年9月开始，系统在现场进行安装运行。系统24 h连续开机，始终处于正常状态，性能满足项目的需求。图4是上位机软件界面，图5是在南海取得的风速和相对湿度测量数据曲线。

3 结语

基于RS-485总线的海气边界层监测系统现场安装的传感器不是逐一全部直接连接到同一个数据采集器上，而是通过分布式采集模式将气象传感器连接至数据变送器上，再通过RS-485总线与数据采集器通讯，大大减少了现场线缆数量，方便现场布线。而且传感器输出的物理量已经通过数据变送器实现数字化，误差在要求的范围之内，因而使用RS-485总线传输数据时不会产生精度上的损失，保证了整个系统的采集精度。数据采集器则通过集中模式采集水文和气压传感器数据。这种混合采集的模式，简化了系统的结构，提高了设计效率，便于系统扩展，方便现场测试和维护。

图4 软件界面

图5 实时数据曲线

[1]Silicon Laboratories.C8051F020 Datasheets.2005.

[2]EXAR Corp.XR16L784 Datasheets，2008.

[3]B&BElectronics.RS-422 and RS-485 Application Note，2006.

[4]B&BElectronics Technical Article#1.Basics ofThe RS-485 Standard，1994.

[5]孙树文,张慧慧,杨建武，等.CAN总线在潜水电机分布式监控系统中的应用[J].计算机测量与控制，2006，14（11）：1499-1501.

[6]门雅彬,张齐,成方林.RS-485总线在海气边界层监测系统中的应用[J].电子产品世界，2009（7）：37-39.

Design of Air-Sea Boundary Layer Monitoring System

MEN Ya-bin,CHENG Fang-lin,ZHANG Yi-fei,ZHANG Qi
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

An air-sea boundary layer monitoring system based on RS-485 bus is introduced.The monitoring host computer can communicate with the data transmitter and the intelligent sensors directly via the RS-485 bus,thus simplifying the system structure and realizing distributed control and concentrated management of the measurement nodes.The main control board block diagram of the system,hardware design,communication protocol design and main program flow chart are discussed.The application shows that the system is easy to install and has high reliability.

air-sea boundary layer;distributed measure system;RS-485 bus;data acquisition

P715；TN4

B

1003-2029（2011）04-0050-04

2011-02-20

国家海洋减灾专项资助项目

门雅彬（1977-），男，高级工程师，硕士。主要研究方向是嵌入式系统、智能仪器在海洋监测技术上的应用。Email：13802113637@163.com