CN103235351A - 便携式气象仪的内置通信模块 - Google Patents

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周树道
庄卉
王洪涛
王敏
刘志华
严德山
徐四林
文滋木
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Abstract

本发明公开了一种便携式气象仪的内置通信模块，包括DC/DC电源转换电路及嵌入式计算机；嵌入式计算机，为C8051F020单片机，配置串口扩展电路，集成有气象仪通信控制程序；该嵌入式计算机分别与北斗通信设备、CDMA通信设备及短波通信设备通信连接；C8051F020单片机通过气象仪通信控制程序自动控制北斗通信设备、CDMA通信设备及短波通信设备的择一运行或者制停内置通信模块通信工作；便携式气象仪的电源模块通过DC/DC电源转换电路分别为CDMA MODEM模块、北斗卫星通信模块、C8051F020单片机提供合适电源。因此，本发明进行气象参数采集时，可以在极大程度上保证采集时间的连续性。

Description

便携式气象仪的内置通信模块
技术领域
本发明涉及一种便携式气象仪的内置通信模块。
背景技术
现有便携式气象仪的通信方式单一，当该种通信方式不能正常工作时，将阻断气象仪对于相应气象参数的采集，极大地影响了后续气象参数的分析处理。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种便携式气象仪的内置通信模块，该内置通信模块配置了三种择一运行的通信方式，因此，进行气象参数采集时，可以在极大程度上保证采集时间的连续性。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种便携式气象仪的内置通信模块，该内置通信模块包括DC/DC电源转换电路以及嵌入式计算机；所述嵌入式计算机，为C8051F020单片机，配置串口扩展电路，集成有气象仪通信控制程序；该嵌入式计算机分别与北斗通信设备、CDMA通信设备以及短波通信设备通信连接，北斗通信设备包括北斗卫星通信模块以及与北斗卫星通信模块连接的北斗天线，CDMA通信设备包括CDMA MODEM模块以及与CDMA MODEM模块连接的CDMA天线，短波通信设备包括短波电台；C8051F020单片机通过气象仪通信控制程序自动控制北斗通信设备、CDMA通信设备以及短波通信设备的择一运行或者制停内置通信模块通信工作；气象仪的电源模块通过DC/DC电源转换电路分别为CDMA MODEM模块、北斗卫星通信模块、C8051F020单片机提供合适电源。
所述C8051F020单片机与气象仪之间的通信接口以及C8051F020单片机与短波电台之间的通信接口均为RS-232C串口。
C8051F020单片机的一个串口通过北斗卫星通信模块与北斗接收天线连接，另一个串口则与气象仪连接，同时C8051F020单片机通过串口扩展电路分别与CDMA MODEM模块、短波电台连接。
所述北斗卫星通信模块为BI24型北斗一代终端一体化模块。
CDMA MODEM模块为EM200 CDMA MODEM模块。
CDMA MODEM模块、北斗卫星通信模块、C8051F020单片机的工作电压分别为：4V 、10.8V 、3.3V。
本发明的另一技术目的是提供一种上述便携式气象仪的内置通信模块的气象仪通信控制程序，包括以下步骤：（1）启动内置通信模块；（2）启动单片机初始化程序模块，该单片机初始化程序模块用于设置C8051F020单片机的工作参数；（3）启动气象仪通信程序模块，该气象仪通信程序模块用于接收并暂存便携式气象仪的数据、启动通信服务程序模块、向通信服务程序模块转发气象中心站的命令；（4）启动通信服务程序模块，该通信服务程序模块根据CDMA MODEM模块、北斗卫星通信模块、短波电台三种通信模块的命令，择一地控制各自对应的通信设备，向气象仪通信程序模块转发整点和分钟数据，接收气象中心站整点和分钟查询命令。
进一步地，通信服务程序模块包括以下步骤：a、选择北斗通信设备，若北斗通信设备能够正常工作，启动北斗卫星通信服务程序，反之选择CDMA通信设备；若CDMA通信设备能够正常工作，启动CDMA通信服务程序，反之选择短波通信设备，若短波通信设备能够正常工作，启动短波通信服务程序，反之结束内置通信模块的通信连接
根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：
本发明所述内置通信模块配置了三种择一运行的通信方式，因此，进行气象参数采集时，可以在极大程度上保证采集时间的连续性。
附图说明
图1是本发明所述的内置通信模块组成示意图；
图2是本发明所述的内置通信模块硬件整体设计框图；
图3是本发明所述的内置通信模块软件整体设计流程图；
图4是本发明所述气象仪的电源电路图；
图5是本发明所述的DC/DC电源转换电路图；
图6是C8051F020单片机复位和装备选择电路；
图7是C8051F020单片机JTAG调试接口电路；
图8是C8051F020单片机电路；
图9是本发明所述的串口扩展电路；
图10是本发明所述的CDMA MODEM模块电路；
图11是本发明所述的北斗模块电路；
图12是本发明所述的MAX3232串口收发器芯片的通信接口电路。
具体实施方式
以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明所述的内置通信模块集成在便携式气象仪内，包括嵌入式计算机、CDMA模块、北斗模块、电源模块和通信接口组成。主要功能是提供便携式气象仪与气象中心站通信的北斗卫星通信、短波通信和CDMA无线通信信道。
如图2所示，内置通信模块的硬件包括嵌入式计算机、串口扩展电路、CDMA MODEM模块、北斗卫星通信模块、通信接口和DC/DC电源组成。内置通信模块的软件采用Keil C51作为开发平台。
a)嵌入式计算机
嵌入式计算机的功能是运行通信软件和提供控制其他模块的接口，从体积、重量、功耗、环境适应性和开发难度等方面综合考虑，嵌入式计算机选用C8051F020单片机，该单片机兼容国内外广泛使用的MCS-51系列单片机，主要技术特性如下：
①CPU处理能力：20MIPS
②通讯接口：2路UART串口
③程序存储器：64KB
④数据存储器：4096B
⑤工作温度：-40℃～80℃
C8051F020单片机电路设计主要是设计单片机最小系统，如图6-8所示。
b)串口扩展电路设计
C8051F020的两个串口已用于控制北斗模块和连接气象仪，因此内置通信模块需扩展串口，采用VK3266串口扩展芯片扩展4个串口，使用其中的两个，分别用于控制CDMA MODEM和短波电台，如图9所示。
c)CDMA MODEM模块电路设计
CDMA MODEM模块选用华为公司的EM200 CDMA MODEM模块（或其他公司同类型模块）。EM200模块是华为公司研发的具有自主知识产权的工业级模块。模块支持语音、数据、短信等功能。EM200模块适用基于CDMA技术的车载/船载、无线终端、数据卡、数据传输、实时监控和实时图像传输等领域。其指标符合要求。EM200 CDMA MODEM模块电路设计主要是连接VK3266和EM200 CDMA MODEM模块的通信接口，如图10所示。
d)北斗模块
北斗卫星通信模块选用中电54所的BI24型北斗一代终端一体化模块，该模块是中电54所基于自主研发的北斗一代射频芯片和基带芯片研制而成，主要由低噪声放大器、高功率放大器、射频芯片和基带芯片四部分组成，功能可满足用户在陆地和海上对卫星导航定位和报文通信的要求，参数指标符合“北斗一号”用户机测试大纲要求，且体积小、功耗低、可靠性高。其指标能够达到系统要求。北斗模块电路设计主要是设计北斗模块的电源电路和北斗模块与C8051F020单片机的通信接口，如图11所示。
e)通信接口
通信接口主要是与短波电台的通信控制接口和与便携式地面观测设备的通信接口，二者均采用RS-232C串口，电路设计主要是将C8051F020单片机的TTL电平串口和扩展的TTL电平串口电平转换成RS-232C电平，选用MAX3232串口收发器芯片，如图12所示。
f)电源
DC/DC电源转换电路，负责将气象仪提供的12伏直流电源转换为各模块使用的3.3V、4V、12伏电源。这部分电路采用DC-DC模块和稳压芯片设计实现，如图4、5所示。 
 (2) 软件设计
内置通信模块软件由单片机初始化程序、气象仪通信程序、北斗卫星通信服务程序、CDMA通信服务程序、短波通信服务程序等5个软件模块组成。软件主程序流程图如图3所示。
单片机初始化程序模块的主要功能是设置单片机芯片工作参数，如配置交叉开关、看门狗参数、各种通信设备所用串口的波特率等，三种通信设备数据传送采用中断方式实现，还需设置串口的中断使能、中断优先级和中断标志等参数。
气象仪通信程序模块的主要功能是接收并暂存便携式地面观测设备的数据，启动通信服务程序模块，以及向便携式地面观测设备转发气象中心站命令。
三种通信服务程序模块的主要功能是根据三种通信设备的命令集控制通信设备，转发整点和分钟数据，接收气象中心站整点和分钟查询命令。
内置通信模块集成在采集通信终端内，主要功能是提供便携式地面气象观测设备与气象中心站通信系统通信的信道。内置通信模块由单片机、CDMA MODEM模块、北斗卫星通信模块、短波电台通信控制接口、数据采集器通信接口、DC/DC电源组成， 
单片机的功能是运行通信软件，提供控制其他模块的接口，选用C8051F020单片机；CDMA MODEM模块选用EM200 CDMA MODEM模块（或其他同性能模块）；短波电台通信控制接口、数据采集器通信接口均采用RS-232C串口；DC/DC电源转换电路，负责将12V直流电源转换为各模块使用的3.3V（单片机）、4V（CDMA）、10.8V（北斗）电源，采用DC-DC芯片设计实现。 
北斗卫星通信模块选用中电54所的BI24型北斗一代终端一体化模块。该模块是中电54所基于自主研发的北斗一代射频芯版和基带芯片研制而成，主要由低噪声放大器、高功率放大器、射频芯片和基带芯片四部分组成，可在陆地和海上对卫星导航定位和报文通信，具备一次最多可发送200个字节的通信能力，响应时间为60s，能满足便携式地面气象观测设备通信要求。
短波电台是在北斗与CDMA通信方式无法使用的情况下的备份通信手段。选用能与TCR212型125W车载短波电台配套的TBR212型背负式短波电台，传输的数据速率为75bps～2400bps，采用RS232C数据接口，背负式短波电台总质量不超过10kg，天线为1m鞭状。由自身携带的蓄电池提供直流24V供电，在每间隔10分钟通信一次，每次通信持续1分钟的情况下能保证连续工作时间不小于24小时。 
单片机的功能是运行通信软件和提供控制其他模块的接口，选用C8051F020单片机。北斗模块选用北斗一代终端一体化模块，该模块功能可满足用户在陆地和海上对卫星导航定位和报文通信的要求，参数指标符合“北斗一号”用户机测试大纲要求，且体积小、功耗低、可靠性高。预留北斗二号接口。CDMA MODEM模块选用EM200 CDMA MODEM模块（或其他同性能模块）；短波电台的通信控制接口和与便携式地面观测设备的通信接口均采用RS-232C串口；电源为DC/DC电源转换电路，负责将12V直流电源转换为各模块使用的3.3V、4V、10.8V电源，采用DC-DC芯片设计实现。

Claims (8)

1.一种便携式气象仪的内置通信模块，其特征在于：该内置通信模块包括DC/DC电源转换电路以及嵌入式计算机；所述嵌入式计算机，为C8051F020单片机，配置串口扩展电路，集成有气象仪通信控制程序；该嵌入式计算机分别与北斗通信设备、CDMA通信设备以及短波通信设备通信连接，北斗通信设备包括北斗卫星通信模块以及与北斗卫星通信模块连接的北斗天线，CDMA通信设备包括CDMA MODEM模块以及与CDMA MODEM模块连接的CDMA天线，短波通信设备包括短波电台；C8051F020单片机通过气象仪通信控制程序自动控制北斗通信设备、CDMA通信设备以及短波通信设备的择一运行或者制停内置通信模块通信工作；便携式气象仪的电源模块通过DC/DC电源转换电路分别为CDMA MODEM模块、北斗卫星通信模块、C8051F020单片机提供合适电源。
2.根据权利要求1所述便携式气象仪的内置通信模块，其特征在于：所述C8051F020单片机与便携式气象仪之间的通信接口以及C8051F020单片机与短波电台之间的通信接口均为RS-232C串口。
3.根据权利要求1所述便携式气象仪的内置通信模块，其特征在于：C8051F020单片机的一个串口通过北斗卫星通信模块与北斗天线连接，另一个串口则与气象仪连接，同时C8051F020单片机通过串口扩展电路分别与CDMA MODEM模块、短波电台连接。
4.根据权利要求1所述便携式气象仪的内置通信模块，其特征在于：所述北斗卫星通信模块为BI24型北斗一代终端一体化模块。
5.根据权利要求1所述便携式气象仪的内置通信模块，其特征在于：CDMA MODEM模块为EM200 CDMA MODEM模块。
6.根据权利要求1所述便携式气象仪的内置通信模块，其特征在于：CDMA MODEM模块、北斗卫星通信模块、C8051F020单片机的工作电压分别为：4V 、10.8V 、3.3V。
7.一种权利要求1所述便携式气象仪的内置通信模块的气象仪通信控制程序，其特征在于，包括以下步骤：（1）启动内置通信模块；（2）启动单片机初始化程序模块，该单片机初始化程序模块用于设置C8051F020单片机的工作参数；（3）启动气象仪通信程序模块，该气象仪通信程序模块用于接收并暂存便携式气象仪的数据、启动通信服务程序模块、向通信服务程序模块转发气象中心站的命令；（4）启动通信服务程序模块，该通信服务程序模块根据CDMA MODEM模块、北斗卫星通信模块、短波电台三种通信模块的命令，择一地控制各自对应的通信设备，向气象仪通信程序模块转发整点和分钟数据，接收气象中心站整点和分钟查询命令。
8.根据权利要求7所述所述便携式气象仪的内置通信模块的气象仪通信控制程序，其特征在于，步骤（4）中的通信服务程序模块启动包括以下步骤：首先选择北斗通信设备，若北斗通信设备能够正常工作，启动北斗卫星通信服务程序，反之选择CDMA通信设备；若CDMA通信设备能够正常工作，启动CDMA通信服务程序，反之选择短波通信设备，若短波通信设备能够正常工作，启动短波通信服务程序，反之结束内置通信模块的通信连接。
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