CN107065038A - 基于32 位浮点型处理器的气象站及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气象监测技术领域，尤其涉及一种基于32位浮点型处理器的气象站，主要由DSP处理器单元、气象采集单元、第一电平转换模块、第二电平转换模块、蓄电池、太阳能电池板、串口通讯模块、无线传输模块、LED显示屏及上位机组成；DSP处理器单元的输出端连接串口通讯模块的输入端和无线传输模块输入端；所说的LED显示屏的输入端连接串口通讯模块的输出端；无线传输模块输出端连接DSP处理器单元，接收端连接上位机。本发明采用32位浮点型处理器作为该系统控制处理核心，在数据处理上减小了计算误差，增加数据处理精度，简化了数据运算过程，从而降低了核心处理器的负担，使控制系统变得更加安全、稳定。

Description

基于32位浮点型处理器的气象站及工作方法
技术领域
本发明涉及气象监测技术领域，尤其涉及一种基于32位浮点型处理器的气象站及工作方法。
背景技术
申请号为201310141075.7，申请日为2013年4月23日的发明专利申请公开了一种气象监测系统，涉及气象监测设备技术领域，包括用于采集各类检测器的数据采集器，所述数据采集器将检测器得到的信号处理通过通讯设备传送到指挥中心站，所述数据采集器采用交流供电和蓄电池智能供电两种方式，所述数据采集器通过RS485接口分别连接有雨量雪量检测器、能见度检测器、温湿度检测器、风向风速检测器及红外线遥感路面测温器，对高速公路上沙尘、雾，能见度参数，路面温度，风向风速，雨雪量要素进行数据采集和分析，然后将分析结果上传给指挥中心站以实现对现场实际情况进行实时监控。目前的气象监测系统主要侧重采集各种气象信息并提供预警信息，常见的气象站多采用32位ARM处理器，其在数据运算和处理的能力上都存在或多或少的缺点和不足，在天气条件恶劣时，监测系统采集到的气象信息在传输时可能会发生错误或者信息传输不完整，提供的预警信息很可能是有偏差的，这样不利于提前做好预防措施。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于32位浮点型处理器的气象站及工作方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种基于32位浮点型处理器的气象站，其特征在于：主要由DSP处理器单元、气象采集单元、第一电平转换模块、第二电平转换模块、蓄电池、太阳能电池板、串口通讯模块、无线传输模块、LED显示屏及上位机组成；所述气象采集单元包括风速传感器、风向传感器、大气压传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、PM10传感器以及光照强度传感器；所述第一电平转换模块的输入端连接AC220v市电，输出端连接蓄电池的输入端和第二电平转换模块的输入端以及风速传感器、风向传感器、大气压传感器的电源输入端；所述蓄电池的输出端连接第二电平转换模块的输入端；所述太阳能电池板的输出端连接蓄电池的输入端和所述第二电平转换模块的输入端,以及温湿度传感器、PM2.5传感器、PM10传感器以及光照强度传感器的电源输入端；所述第二电平转换模块的输出端连接DSP处理器单元的电源输入端；DSP处理器单元的输出端连接串口通讯模块的输入端和无线传输模块输入端；所说的LED显示屏的输入端连接串口通讯模块的输出端；无线传输模块输出端连接DSP处理器单元，接收端连接上位机。
优选地，所述第一电平转换模块采用NES-100-24开关电源,将AC220v市电转换为24V直流电压。
优选地，所述第二电平转换模块将从第一电平转换模块与太阳能电池板输出的24V电压转换为5V电压。
优选地，所述DSP处理器单元通过ZigBee无线模块发送给上位机。
一种基于32位浮点型处理器的气象站的工作方法，其特征在于：主要由DSP处理器单元、气象采集单元、第一电平转换模块、第二电平转换模块、蓄电池、太阳能电池板、串口通讯模块、无线传输模块、LED显示屏及上位机组成；所述气象采集单元包括风速传感器、风向传感器、大气压传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、PM10传感器以及光照强度传感器；所述第一电平转换模块的输入端连接AC220v市电，输出端连接蓄电池的输入端和第二电平转换模块的输入端以及风速传感器、风向传感器、大气压传感器的电源输入端；所述蓄电池的输出端连接第二电平转换模块的输入端；所述太阳能电池板的输出端连接蓄电池的输入端和所述第二电平转换模块的输入端,以及温湿度传感器、PM2.5传感器、PM10传感器以及光照强度传感器的电源输入端；所述第二电平转换模块的输出端连接DSP处理器单元的电源输入端；DSP处理器单元的输出端连接串口通讯模块的输入端和无线传输模块输入端；所说的LED显示屏的输入端连接串口通讯模块的输出端；无线传输模块输出端连接DSP处理器单元，接收端连接上位机；所述DSP处理器单元运行以下程序：(1)系统上电复位；
(2)系统程序初始化：按照初始化程序，初始化系统各项状态和各个控制寄存器；
(3)传感器初始化：按照设定的顺序，依次执行；
(4)读取传感器信号；采集各个传感器发回的气象数据；
(5)判断读取情况：如果没有则返回继续读取，否则执行下一级命令；
(6)处理信息：传感器采集的气象数据由DSP处理器单元进行处理，处理完的气象信息分为2路，一路通过网口通信在LED屏显示，另一路通过ZigBee无线模块发送至上位机做最终处理。
优选地，在步骤(4)中，主程序初始化后，设置抽样点数和定时器0的工作方式与初值，开启中断并启动定时器，开始抽样，判断定时时间，如果达到则进行A/D采样和最大值的比较，否则返回上一步，A/D采样完成开始判断是否完成抽样次数，如果没有，则启动定时器重新进行A/D采样，若完成则通过最大值计算有效值，计算结束，将有效值转换为10进制的BCD码，再将该码转换为显示的码形值，显示有效值，最后循环执行下一轮的抽样。
本发明的有益效果是:1.本发明采用32位浮点型处理器作为该系统控制处理核心，在数据处理上减小了计算误差，增加数据处理精度，简化了数据运算过程，从而降低了核心处理器的负担，使控制系统变得更加安全、稳定。
2.该32位浮点型处理器具有多种外设通讯接口，如ADC,I2C,UART,TTL,SPI,SW-DP(串行线调试端口)等。在唤醒延迟和功耗方面，几种省电模式提供了具有灵活性的最大优化方案。
3.它的工作内容包括对数据采集模块，以及各子模块，针对各气象要素的要求，对温湿度、风速、风向、大气压、PM2.5等气象要素传感器模块进行分析、最后通过数据采集系统将采集得到的数据传输至上位机软件，对数据进行存储、分析等。
4.采用Zigbee CC2500无线收发芯片，其工作频段为2.4GHz的ISM频段；ZigbeeCC2500是一款低成本、低功耗、高性能的无线收发芯片。具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力；主要作用是将DSP处理器单元处理过的气象数据上传至上位机端。
5.上位机可以实时监测上传数据，以曲线的形式显示各个气象指数。自动生成气象数据库，记录并存储。
附图说明
图1为本发明所涉及的系统硬件框图；
图2为本发明所涉及的系统初始化程序流程图；
图3为本发明所涉及的定时器周期中断服务程序流程图；
图4为本发明所涉及的气象数据采样子程序流程图；
图5为本发明所涉及的设计原理流程图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，一种基于32位浮点型处理器的气象站包括：DSP处理器单元、气象采集单元、电平转换模块1、电平转换模块2、蓄电池、太阳能电池板、串口通讯模块、无线传输模块、LED显示屏及上位机组成。所说的电平转换模块1的输入端连接AC220v市电，输出端连接蓄电池的输入端和电平转换模块2的输入端以及风速、风向、大气压传感器的电源输入端；所说的蓄电池的输出端连接电平转换模块2的输入端；所说的太阳能电池板的输出端连接蓄电池的输入端和电平转换模块2的输入端,以及风速、风向、大气压传感器的电源输入端；所说的电平转换模块2的输出端连接DSP处理器单元的电源输入端，同时连接温湿度、PM2.5/10传感器的电源输入端；所说的气象采集单元的信号输出端连接DSP处理器单元对应的信号采集端口；DSP处理器单元的输出端连接串口通讯模块的输入端和无线传输模块输入端；所说的LED显示屏的输入端连接串口通讯模块的输出端；无线传输模块输出端连接DSP处理器单元，接收端连接上位机。
上述所说的气象采集单元，选用高精度气象传感器，首先通过处理器的同步异步收发口usart0，通过RS485的通信方式采用ModBus协议采集风速，风向，温度，湿度的数据，放入设定好的存储器中；通过TTL的通信方式采集PM2.5与PM10的数据,放入设定好的寄存器中；通过A/D采样方式采集大气压数据，通过IC的通信方式采集光强的数据信息。通过网口通信与LED显示屏组成智能显示系统。最后通过uart1的异步收发口按照规定的协议通过无线传输模块发送到上位机。
上述所说的电平转换模块1以台湾明伟电子有限公司生产的NES-100-24开关电源,结合常规的硬件接口电路构成，将AC220v市电转换为DC24v后连接蓄电池的输入端和电平转换模块2的输入端以及风速、风向、大气压传感器的电源输入端；
上述所说的电平转换模块2以贵易科技电子有限公司产的降压模块为主，结合常规的硬件接口电路构成，将从电平转换模块1与太阳能电池板输出的DC24v转换为DC5v后输入DSP处理器单元的电源输入端，同时连接温湿度、PM2.5/10传感器的电源输入端；
上述所说的无线传输模块，分为发送模块和接收模块。发送模块与DSP处理器单元连接，接收模块与上位机相连。DSP处理器单元通过串口先将数据发送给无线发送模块，与接收模块之间通过无线链路实现数据的互相传输，上位机则将数据共享，方便其他设备读取。
一种基于32位浮点型处理器的气象站的工作方法详细包括如下步骤：
通过气象采集单元，可实现风速、风向、大气压、温湿度，光照强度、PM2.5/10气象数据的采集工作，通过A/D采样、RS485、TTL、IC通讯方式将气象数据上传至DSP处理器单元。
AC220V的市电通过第一电平转换模块输出DC24V,可直接给风速、风向、大气压传感器供电，也可以给蓄电池直接充电。LED显示屏通过内置电平转换模块给自身提供DC5V电源。通过第二电平转换模块输出DC5V,可以给温湿度、PM2.5/10供电,同时给DSP处理器单元供电。太阳能光伏板直接输出DC24V，可以直接给蓄电池充电，通过第二电平转换模块给其他传感器提供所需电压。
通过DSP处理器单元可实现各项气象数据的采集和处理、分析上传。通过网口通信实现LED屏循环显示气象信息。
最后DSP处理器单元通过ZigBee无线模块发送给上位机，实现气象数据的采样和实时监测判断，根据各项指数提供出行与生活方面的合理化意见。通过以曲线的形式实时显示气象数据，数据更加具有直观性。以天为单位自动生成气象数据库，记录并存储。
上述步骤中所述气象数据采集的软件实现：
如图2所示，系统初始化程序只在系统上电时执行一次，主要是对系统状态寄存器的设置、中断标志和允许的设置、看门狗的设置、定时器初始化、捕获单元初始化、LED屏显示初始化、I/O口的设置和初始化等。如图3所示，初始化程序执行完成并得到开机信号后，系统进入循环等待状态。当有中断事件发生时，则进入相应的中断服务子程序去完成测控功能。控制系统的主要指令都可在定时器中完成。若定时器计数器的值与定时器周期寄存器的值相等，则产生周期中断请求。中断被响应后，系统将进入中断服务程序。当其确认中断源正确后，首先启动外部A/D转换器，以采集相应的电能质量信号，再对转换结果进行数据处理与比较，最后开总中断并返回。
当定时器周期中断服务程序执行结束后，进入相应的气象数据采样子程序。如图4所示。主程序初始化后，设置抽样点数和定时器0的工作方式与初值，开启中断并启动定时器，开始抽样，判断定时时间，如果达到则进行A/D采样和最大值的比较，否则返回上一步，A/D采样完成开始判断是否完成抽样次数，如果没有，则启动定时器重新进行A/D采样，若完成则通过最大值计算有效值，计算结束，将有效值转换为10进制的BCD码，再将该码转换为显示的码形值，显示有效值，最后循环执行下一轮的抽样。
如图5所示，本发明所述对气象站控制系统的原理软件流程如下：
(1)系统上电复位；
(2)系统程序初始化：按照初始化程序，初始化系统各项状态和各个控制寄存器；
(3)传感器初始化：按照设定的顺序，依次执行；
(4)读取传感器信号；采集各个传感器发回的气象数据；
(5)判断读取情况：如果没有则返回继续读取，否则执行下一级命令；
(6)处理信息：传感器采集的气象数据由DSP处理器单元进行处理，处理完的气象信息分为2路，一路通过网口通信在LED屏显示，另一路通过ZigBee无线模块发送至上位机做最终处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于32位浮点型处理器的气象站，其特征在于：主要由DSP处理器单元、气象采集单元、第一电平转换模块、第二电平转换模块、蓄电池、太阳能电池板、串口通讯模块、无线传输模块、LED显示屏及上位机组成；所述气象采集单元包括风速传感器、风向传感器、大气压传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、PM10传感器以及光照强度传感器；所述第一电平转换模块的输入端连接AC220v市电，输出端连接蓄电池的输入端和第二电平转换模块的输入端以及风速传感器、风向传感器、大气压传感器的电源输入端；所述蓄电池的输出端连接第二电平转换模块的输入端；所述太阳能电池板的输出端连接蓄电池的输入端和所述第二电平转换模块的输入端,以及温湿度传感器、PM2.5传感器、PM10传感器以及光照强度传感器的电源输入端；所述第二电平转换模块的输出端连接DSP处理器单元的电源输入端；DSP处理器单元的输出端连接串口通讯模块的输入端和无线传输模块输入端；所说的LED显示屏的输入端连接串口通讯模块的输出端；无线传输模块输出端连接DSP处理器单元，接收端连接上位机。
2.根据权利要求1所述的基于32位浮点型处理器的气象站，其特征在于：所述第一电平转换模块采用NES-100-24开关电源,将AC220v市电转换为24V直流电压。
3.根据权利要求1所述的基于32位浮点型处理器的气象站，其特征在于：所述第二电平转换模块将从第一电平转换模块与太阳能电池板输出的24V电压转换为5V电压。
4.根据权利要求1所述的基于32位浮点型处理器的气象站，其特征在于：所述DSP处理器单元通过ZigBee无线模块发送给上位机。
5.一种基于32位浮点型处理器的气象站的工作方法，其特征在于：主要由DSP处理器单元、气象采集单元、第一电平转换模块、第二电平转换模块、蓄电池、太阳能电池板、串口通讯模块、无线传输模块、LED显示屏及上位机组成；所述气象采集单元包括风速传感器、风向传感器、大气压传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、PM10传感器以及光照强度传感器；所述第一电平转换模块的输入端连接AC220v市电，输出端连接蓄电池的输入端和第二电平转换模块的输入端以及风速传感器、风向传感器、大气压传感器的电源输入端；所述蓄电池的输出端连接第二电平转换模块的输入端；所述太阳能电池板的输出端连接蓄电池的输入端和所述第二电平转换模块的输入端,以及温湿度传感器、PM2.5传感器、PM10传感器以及光照强度传感器的电源输入端；所述第二电平转换模块的输出端连接DSP处理器单元的电源输入端；DSP处理器单元的输出端连接串口通讯模块的输入端和无线传输模块输入端；所说的LED显示屏的输入端连接串口通讯模块的输出端；无线传输模块输出端连接DSP处理器单元，接收端连接上位机；所述DSP处理器单元运行以下程序：(1)系统上电复位；
(2)系统程序初始化：按照初始化程序，初始化系统各项状态和各个控制寄存器；
(3)传感器初始化：按照设定的顺序，依次执行；
(4)读取传感器信号；采集各个传感器发回的气象数据；
(5)判断读取情况：如果没有则返回继续读取，否则执行下一级命令；
(6)处理信息：传感器采集的气象数据由DSP处理器单元进行处理，处理完的气象信息分为2路，一路通过网口通信在LED屏显示，另一路通过ZigBee无线模块发送至上位机做最终处理。
6.根据权利要求5所述的基于32位浮点型处理器的气象站的工作方法，其特征在于：在步骤(4)中，主程序初始化后，设置抽样点数和定时器0的工作方式与初值，开启中断并启动定时器，开始抽样，判断定时时间，如果达到则进行A/D采样和最大值的比较，否则返回上一步，A/D采样完成开始判断是否完成抽样次数，如果没有，则启动定时器重新进行A/D采样，若完成则通过最大值计算有效值，计算结束，将有效值转换为10进制的BCD码，再将该码转换为显示的码形值，显示有效值，最后循环执行下一轮的抽样。
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