基于以太网的高精度温湿度智能传感器的设计

2011-06-29王建佳杨志勇

成都信息工程大学学报 2011年5期

王建佳, 王科, 杨志勇

(1.成都信息工程学院中国气象局大气探测重点实验室,四川成都610225;2.中国华云技术开发公司,北京100081)

1 引言

数据采集器是自动气象站的核心,采集器从传感器采集数据,然后由内部的微处理器按规定的算法进行运算处理和质量控制,生成各气象要素观测值,再从规定的数据格式将观测值存储在存储器内,并按规定响应传输要求[1]。目前气象业务上使用的数据采集器,存在着功耗高、体积大以及测量精度低等一系列问题。

针对以上问题,提出一种基于以太网的温湿度智能传感器系统设计方案。以智能化为中心,结合UCOS-II操作系统,采用低功耗设计思想,以较低的成本、尽可能简单的电路,满足自动气象站高精度和实时采集的需求。

2 高精度温湿度智能传感器的总体设计方案

2.1 功能需求分析

温湿度智能传感器测量的温度范围为-50℃-80℃、精度0.1℃,分辨率0.1℃;测量的湿度在0-100%,当湿度在0-90%时测量精度2%,当湿度在90%-100%时测量精度3%,分辨率1%。

2.2 系统设计方案

根据功能需求分析,基于以太网的智能传感器系统的示意图如图1所示,高精度智能传感器系统结构框图如图2所示。

目前气象业务上使用的数据采集器,通常是功耗很高,为适应太阳能电池供电,低功耗特性的数据采集器尤为重要[2],智能传感器系统正是采用低功耗设计思想,在有效地降低系统功耗。降低系统主时钟频率表面上看是一种降低功耗的方法,但是当系统包含有模拟电路的时候,这种方法的效果并不明显。实践证明：延长系统工作在待机模式下的时间才是降低总功耗最有效的方法。因此,系统中所有的工作必须设计为以突发形式快速地完成,以便系统能够尽快返回到待机模式[3]。

智能传感器系统的主要特色在于低功耗,高精度测量以及通信方式多样化。为了实现低功耗,设计的系统采用ARM CORTEX-M3架构的LPC1768超低功耗单片机作为主控芯片,具有32位RISC结构,运算能力强,并具有丰富的片内外设,内置了10/100M Ethernet MAC,集成了二路CAN通道,提供了一个完整的CAN协议实现方案,显著地简化编程和调试的复杂度,具有非常广阔的应用范围,非常适用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用[4-5];为了实现高精度测量,采用具低功耗(典型功耗为400 μ A)、高精度、16位、串行传输的A/D转换芯片AD7792作为A/D转换芯片,有两个高精度的可编程恒流激励源,内置可编程仪表放大器、参考电压源[6];为了实现通信方式多样化,系统除了设计了RS232电路和RS485电路以外,还设计了以低功耗CMOS工艺、完全符合IEEE 802.3u标准的10Base-T/100Base-TX物理层收发器KSZ8041NL为核心的以太网PHY电路;为了使系统能够稳定地运行,设计了以MAX706为核心的看门狗电路;为了使系统能够实现实时测量,设计了以PCF8563为核心的实时时钟(RTC)电路;为了使系统在实时测量及掉电时能够保存数据,设计了以MX25L1602为核心的FLASH电路和以AT24C16为核心的E2PROM电路。

图2 基于以太网的高精度温湿度智能传感器的结构框图

3 智能传感器的采集电路与以太网PHY电路的硬件设计

3.1 高精度温湿度数据采集电路设计

众所周知,数据采集电路对整个测量系统有非常重要的作用,在一定程度上,采集电路性能的好坏决定整个系统的测量精度。

(1)温度测量

气象业务上常用的测量气温的仪器主要有最高温度表、最低温度表、温度计和铂电阻温度传感器[7]。采用的温度传感器是芬兰VAISALA公司生产的HMP45D温湿度传感器,其测温器件的实质是PT100铂电阻,是一种铂电阻温度传感器,根据铂电阻的电阻值随温度变化的原理来测定温度[8],业务应用中通过查PT100分度表的阻值获得温度值。采用四线制的PT100从硬件上消除引线电阻的影响,得到更高的测量精度。高精度温湿度数据采集电路的原理图如图3所示。

若只使用一路激励电流,引线电阻将产生误差,由于有漏电流流经 RL2,RL3,将会在AIN1(+)引脚和AIN2(-)引脚之间产生电压误差。第2个激励电流用于补偿因漏电流产生的误差。四线制铂电阻与AD7792连接图如图4所示。

配置AD7792的内部2个电流源分别连接到引脚IOU1,IOU2,并均设置为1mA的输出电流(假设IOU1与IOU2匹配),即图3中的 I1,I4均为1mA,假设RL1,RL2,RL3,RL4分别为四线制PT100的4个引线电阻,并设长度与材料均相同。设AD测量通道AIN1(+),AIN1(-)实际输入的电压为 Uab,假设同一AD各个通道的输入阻抗相同,即I2=I3,因此,据图3有关系式：

将一个100Ω,0.1%精度,1ppm温漂的标准电阻连接至REF IN(+)与REF IN(-)之间,利用2个激励电流源流过该标准电阻产生的电压差Uref,作为ADC的参考电压,因此有：

由(1)式可知：方案设计的测量电路可以确保模拟电压输入范围根据基准电压呈比例变化,且比值与ADC激励电流的值无关,这就可以排除因ADC激励电流的偏差带来的影响。基准电压的变化可以补偿任何因激励电流的温飘而导致的模拟输入电压误差。

图3 高精度温湿度数据采集电路

(2)湿度测量

气象业务上常用的湿度传感器是芬兰VAISALA公司生产的HMP45D湿度传感器[9],该传感器输出0-1V的电压信号,因此使用 AD7792内部的1.17V参考电压(既简化了外围电路,又避免了因增加外部参考电压而带来的噪声影响),经图2中的湿度调理电路,输入AD7792的第二测量通道。

3.2 以太网PHY电路设计

基于以太网的高精度温湿度智能传感系统通过一个集线器连接系统中的各个节点,各个节点通过RJ45接口电路与以太网连接。设计的温湿度智能传感器既能与目前气象业务上的主采集器通过以太网组网通信,又能脱离主采集器单独使用,与各智能传感器自由组网通信,具有灵活、通用的特性。

LPC1700系列CORTEX-M3的以太网模块使用RMII(简化的媒体独立接口)协议和片上MIIM(媒体独立接口管理)串行总线、还有MDIO(管理数据输入/输出)来实现与片外以太网PHY之间的连接[10],这使得KSZ8041NL成为与LPC1768配合实现以太网方案的最优方案之一。以太网PHY电路原理图如图5所示。

图4 四线制铂电阻与AD7792连接图

4 基于以太网的高精度温湿度智能传感器软件设计

基于以太网的高精度温湿度智能传感器软件系统其实质是在UCOS-II操作系统下进行的任务调度,其的主要任务是：

图5 以太网PHY电路设计

(1)配合硬件电路,实现对温度、湿度的实时采集、存储和处理;

(2)配合硬件电路实现系统工作状态的自检和状态指示;

(3)通过以太网和RS485、RS232总线实现与自动气象站主采集器的数据通信;

(4)通过以太网和RS232实现与上位机通信。

图6 主程序流程图

主程序流程图如图6所示。主程序主要由5个任务组成：RS232/RS485通信命令、以太网通信任务、采集任务、数据处理任务以及监控/命令处理任务组成。RS232/RS485通信命令和以太网通信任务主要负责与上位机或是主采集器通信,包括规定时间上传以及接收命令等。监控/命令处理任务负责处理来自上位机或主采集器的命令以及监控其它4个任务是否正常运行。采集任务主要是实现对气象传感器的实时采集,并将采集后的数据交付给数据处理任务进行处理。数据处理任务主要是对各种数据的整合、算法处理以及存储等。

移植的TCP/IP协议栈是ZLG/IP,提供实现Internet网络上IP节点功能,是高性能的嵌入式ICP/IP协议栈软件。使用UC/OS-II实时操作系统的信号机制实现一个多任务并行并可重入的协议栈,可以像UC/OS-II那样支持多种CPU,此外,还具有层次清晰,易于升级和修改等特点。ZLG/IP结构框图如图7所示。

图7 ZLG/IP结构框图

5 实验数据分析与结论

通过系统采集的温度数据,结合测量数据分析,得到的温度误差曲线如图8所示。实验数据表明,提出设计方案合理可行,在测量范围-50℃-80℃,无任何软件温度补偿的情况下,绝对测量误差全部在0.060C内,完全符合第二代气象站功能规格书及地面气象观测规范中所要求的指标。智能传感器系统软、硬件设计完善,工作稳定可靠,并且测量精度高,达到了预期设计目标,具有一定的实际应用价值。