基于ARM的多参数数据采集仪的设计与应用

第4期 2009 年12月水利水文自动化 Automation in Water Resources and Hydrology NO.4 Dec.,2009

基于ARM的多参数数据采集仪的设计与应用 马旭东1，王丰华2

（1.呼伦贝尔红花尔基水电有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021112； 2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

摘 要：依托 ARM 在嵌入式应用领域内的成熟技术，设计新一代的基于 ARM 的多参数数据采集仪，可提升自动化监测系统的技术水平。介绍一种以 ARM7 LPC2378 为核心处理器的多参数数据采集仪的设计，并以其在 1 个典型自动气象站中的应用为实例，着重说明外接传感器的接口电路、低功耗、大容量固态存储等的设计，并阐明数据采集仪嵌入式系统软件设计的过程。该数据采集仪在实际自动气象站应用后表现良好。关键词：数据采集；ARM；气象；大容量存储；低功耗

中图分类号：TP368.2 文献标识码：B 文章编号：1672-3279(200904-0007-03

0 前言

在水文、气象、环境等自动监测系统中，数据采集仪作为核心的现场自动化处理设备，将各种传感器采集的信息经过加工处理后送往信息中心，以供专业人员进行辅助决策。根据此类系统中各参数自动监测的特点，数据采集仪必须具备较强的通用性，并具备较高的处理数据的能力。同时由于很多自动遥测站架设在野外，常采用蓄电池供电，数据采集仪一般还应具备较低的功耗。过去由微机、8 位单片机作为核心的数据采集仪面临着许多技术方面的瓶颈。以 ARM 技术为核心的 32 位

微控制器以极低的功耗实现了强大的计算能力，可扩展性也较以前的单片机大大增强，非常适合嵌入式系统领域内的应用。因此，依托在嵌入式应用领域内的成熟技术，设计新一代ARM

的基于 ARM 的多参数数据采集仪，可提升自动化监测系统的技术水平。 本文主要结合一个实际的自动气象站的应用，来阐述新一代基于 ARM 的多参数数据采集仪的设计过程。在气象观测系统中，气象参数种类多，仅靠人工观测费时费力，成本太高，且精确度较低，因此我国很早就开始了气象数据的自动化监测应用。气象数据采集仪可以自动采测各类气象仪器参数，极大提高了

收稿日期：2009-09-12

气象工作的效率。气象数据采集仪一般采测的是局部地区的各类气象参数，是对局部区域周围气象环境的一种连续监测，它对各类气象传感仪器返回的信号进行处理加工，变为计算机能够识别的确定的数字信号，然后由计算机进行自动化处理，完成天气情况的记录、统计与预报 [1]。

1 功能设计及硬件实现

气象自动监测站可监测的各类气象参数众多，包括温度、相对湿度、风速、风向、降雨量、蒸发量、大气压、太阳辐射等等。实际应用中每个气象站需采测的参数种类和数量有很大区别。本次设计的基于ARM 的多参数数据采集仪，是以 1 个 6 参数的实际自动气象站系统的应用需求为目标，并充分考虑了数据采集仪的功能可扩充性，以便将来接入更多的气象传感仪器，采测更多的气象参数。

1.1 数据采集仪主要功能设计

该自动气象站需要采测的 6 个参数是风速、风向、温度、湿度、蒸发、雨量。风速传感器由三杯式风杯组件输出脉冲感应信号，输入给 ARM 芯片的内部时钟计数器进行计数后得到对应的风速；风向传感器输出的信号是由多路开关量信号组成的格雷码码制

作者简介：马旭东（1970— ），男，内蒙古呼伦贝尔人，工程师，主要从事水库大坝建设与管理工作。

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信号，输入到 ARM 的 I/O 引脚，经过变换得到实际风向；温度、湿度的测量一般是采用具备温湿度测量于一体的智能化传感器，可通过串口通信来取得实际的温度和湿度值，在本设计中选用 1 款将温湿度的值通过 485 信道输出的智能型温湿度传感器；而蒸发传感器和雨量传感器的输出皆为脉冲信号，通过中断触ARM 处理器采集并计数即可。为将来扩展需发，由

要，还要设计多路 AD 转换通道，用来采集输出参数为模拟量的气象传感器（如气压计）；设计留有多路串行通信接口，可外接输出参数为串口信号的智能仪器，也可外接多种无线传输通信设备 [2]。

LPC 2378 ARM7 微处理器根据以上需求，选择

作为数据采集仪的核心处理器件。LPC 2378 除满足以上提到的需求外，还具有以下特点：

（1）提供高达 4 个独立 UART 接口，可外接多种串行通信智能传感器或通信设备；

（2）低功耗，掉电模式下功耗不到 150 μA ；（3）无需扩展外部程序存储器和动态内存，其内部具有 512 k、32 k 足够使用；

（4）可运行小型操作系统 uC/OSII，具有灵活、轻便、实时可控等特性； （5）片上系统资源丰富。整个系统的功能框图如图 1 所示。 图 1 多参数数据采集仪系统框图

关，用以给瞬时电流消耗较高的远程数传电台供电。同时，为达到尽可能低的功耗，还将数据采集仪电路板上的若干消耗电流较大的 3.3 V 电子器件改为控电方式工作，在不需要工作的时将这些器件的电源进行下电处理，从而进一步降低功耗，使得整个数据采集仪的静态功耗可以达到 3 mA 以下。

1.2 低功耗设计

一般遥测站点大都设置在野外，离市电很远，基本上采用太阳能蓄电池供电。为节省耗电量，用电仪器在需要时才上电工作，因此对电路板上的部分器件及外部的设备仪器的上下电进行控制，尽可能的减少耗电量。

通过编写程序，可使数据采集仪的 ARM 内核处理器大部分时间处于掉电模式，也即值守状态。当有外部特定事件发生时，可被中断唤醒，进入全速工作状态，当完成必要的任务后，再次进入值守状态。在值守状态下系统功耗很低，而且外部传感器不消耗电能；在工作状态下，气象仪和传感器同时上电工作，此时功耗

较大，但由于工作时间极短，所以整个系统的功耗并不大，能够满足长期在野外无人值守状况下 的连续不间断监测气象参数的功耗需求。

数据采集仪设计了输出 2 路控 12 V 电路，其中一路用来给气象传感器供电，另一路接到继电器开

1.3 大容量存储设计

数据采集仪的一个重要功能就是对采测的参数进行自动记录，存储在采集仪自身所带的大容量存储设备中，以便在需要的时候读出。在本设计中，每次采测的参数为 6 个，每个参数值占 2 字节，每隔 5 min 采测存储 1 次，拟将每个参数至少存储 1 a。所以，大容量存储设备的存储最小空间计算如下： 2 ×288 ×366 × 6 = 1 264 896 字节 = 1.2 M 字节，所以采用2 M 字节的 Flash 存储器即可满足要求。在此选择型号为 SST25VF016B 的 NOR 型 Flash 芯片，其存储容量为 2 M 字节，并可通过 SPI 通信接口进行读写。其与 LPC 2378 ARM 芯片引脚的连接原理图如图 2 所示。

第4期马旭东等：基于 ARM 的多参数数据采集仪的设计与应用9 表 1 软件系统各任务介绍 任务名 任务说明 任务简介 TASK0 蒸发任务TASK1 雨量任务

当蒸发中断来临时，对原有蒸发值进行加 1 操作，通过串口发送出去。当雨量中断来临时，对原有雨量值进行加 1 操作，通过串口发送出去。每隔 5 min 启动 1 次，将 6 个参数依次采集 1 遍，如果参数发生了变化，则按一定帧格式将参数通过串口发送出去。当按键按下时，启动本任务。首先立即采测所有参数，并发送到串口；然后等待从上位机串口发来的设置命令或召测命令，完成系统的配置设定及 …… 此处隐藏：1588字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……