新型自动站使用手册2

第二部分

新型自动气象站的系统结构与原理

2、新型自动气象站的系统结构与原理

2．1、新型自动气象站应用到的新技术

在新型自动气象站中应到了两项比较新的技术，即：嵌入式系统技术和外部现场总线技术。

2．1．1、嵌入式系统技术

嵌入式系统是以高性能CPU数据处理器为核心处理器，嵌入操作系统，配置相关的外围组件，构成单板电脑系统。

高性能的CPU一般是指32位CPU，包括：ARM7系列、ARM9系列以及现在比较新的ARM Cortex M3系列或其他系列CPU等。

操作系统嵌入实时性比较好的操作系统，一般可以嵌入：µC/OS-II、FreeRTOS、µClinux 等。

以上操作系统的特点是：实时性比较好，规模相对比较小，所需要的硬件资源也不大。但功能相对简单一点。

对于功能要求比较多的可以选用Linux操作系统或WindowCE操作系统。

其特点是：功能比较齐全，基本上具备标准电脑的全部功能，所构成的系统又称单板电脑。Linux操作系统是开源的可以从网络上找到；WindowCE在使用时是需要付版权费用的。

外围部件配置基本上按照标准电脑的部件配置，包括：Flash存储器、RAM存储器、CF 卡（或SD卡）存储器、以太网络接口电路以及TCP/IP通讯协议、USB通讯端口、多个RS232/RS485串口、CAN总线。

图一、嵌入式系统基本结构图

嵌入式系统的数据综合处理能力非常强大，在新型自动站系统中引入了嵌入式系统，可以大大提高自动气象站的数据处理能力，使很多复杂的数据分析、处理计算功能在数据采集器端得以实现。嵌入式系统丰富的外设处理单元、多种通讯端口，可以非常方便地实时自动气象站的数据通讯处理、远程访问的功能。

2．1．2、外部总线技术

外部总线是用来连接各个数据处理控制、数据处理单元，并完成数据传输、通讯处理功。

外部总线的功能就是实现多个数据处理控制、数据处理单元之间的数据通讯；外部总线的的电气结构要求简单，而且数据传输要稳定可靠。

目前在实际应用中外部总线的方式有很多种，使用最多的是RS485方式和CAN总线方式，另外应用比较多的还有SDI-12方式。

要想外部总线的结构简单、而且数据传输可靠，基本上都是采用差分信号方式传输，所以

数据传输只需要两根线。RS485和CAN总线都是采用两根线进行数据传输。因为是传输差分信号，所以采用双绞线跟有利于提高信号传输的可靠性。

以为是所有的设备都挂接在一条通讯线上，因此必须要有一个通讯控制协议，才能够确保数据通讯的稳定可靠。

2．1．2．1、RS485通讯方式

图二、RS485总线的电气连接结构图

RS485方式只能实现一主多从的通讯控制方式，即：一个主数据控制器处理单元，控制整个系统数据传输的流程，在任何时刻要保证只能由一个设备向总线上传输数据。

RS485方式的特点电气结构更为简单，实现起来比较方面，缺点需要相对比较复杂的软件控制处理协议，用来实现数据通讯控制。

2．1．2．2、CAN通讯方式

CAN总线方式与RS485最大的区别在于，其具有硬件控制机制，由硬件控制器实现在发送数据时出现的冲突管理，确保数据传输的可靠性。

CAN总线的方式特点，电路运行可靠，有专用的控制协议。缺点实现起来相对比较复杂。

图三、CAN总线的电气连接结构图

2．1．2．3、SDI-12通讯方式

SDI-12主要用于多传感器的数据通讯，有根线构成，+12V直流电源、电源地线和数据线。

2．2、新型自动气象站的系统结构设计

2．2．1、新型自动气象站的结构设计

新型自动气象站采用了最先进的嵌入式系统技术和外部现场总线技术，采用的是“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+外围设备”的结构设计方式。

新型自动气象站所采用的“主/分采集器”结构方式，是充分考虑到了能够实现全要素、综合观测的能力，同时具备高性能、多功能的数据处理能力，以及任意扩展的能力。

新型自动气象站的硬件部分，包括：采集器（1个主采集器和若干个分采集器）、外部总线、传感器、外围设备四部分；其结构如图四所示。

新型自动气象站采用了标准化、开放式的技术路线进行规划设计，从原则意义上讲采集器和传感器的接入处理部件等都遵循了统一设计、统一标准的原则，因此不同厂家的产品是可以进行互换的。

新型自动气象站的软件不包括嵌部分，包括：嵌入式系统软件和业务应用软件二部分。

嵌入式系统软件承担嵌入式系统的运行管理，各外部设备的运行管理。嵌入式系统软件使用Linux 2.6.1为内核的Linux操作系统管理软件。

业务应用软件专门用于自动站数据采集、处理的操作管理，该软件是Linux操作系统下的应用软件。

外围设备主要包括电源、终端计算机、通信接口和外存储器。

图四、新型自动气象站的结构框图

2．2．2、主采集器的结构设计

新型自动气象站的主采集器是整个系统的核心控制单元集。整个的系统控制流程、数据处理处理全部主采集器负责完成。

主采集器的处理器采用目前先进的ARM9架构的32位CPU，型号Atmel9263。另外配加其他外部电路，包括：SDRAM、CF卡控器、以太网控制器、IDE控制器、USB控制器、CAN 总线控制器、串口以及扩展串口控制器等，其构成核心处理单元。

加载Linux操作系统、文件处理系统，同时配接各种外部设备接口，包括：CF存储卡、RJ45网络端口、USB端口、大容量Flash存储器、多个RS232串口等。使主采集器的核心处理单元成为一个功能强大单板电脑，因而大大提高了主采集器对数据处理的能力，从而可以满足各种复杂气象探测系统的数据处理要求。

同时在主采集器内部还增加了一个对常规气象要素进行数据探测的数据采集单元。在主采集器的气象要素数据采集单元中，可以完成对10米的风速、风向、空气温度、相对湿度、降水（0.1mm的翻斗式雨量）、气压、蒸发、总辐射以及能见度气象要素的观测数据采集。从而进一步扩展了主采集器的功能，可以使主采集器能够独立成为一个高性能的气象数据采集器，构建基本的气象探测系统。

2．2．3、分采集器的结构设计

在新型自动气象站中，按照对观测数据的需求设置的若干个分采集器，用于完成对相关气象要素的数据采样处理。

分采集器的设置是按照观测要素的基本类型进行分类设置的。

在分采集器中主要是按照能够规定时序，完成对相关气象要素的数据采集处理，并通过CAN总线把观测数据传送到主采集器中。

在分采集器的基本结构是一样的，包括数据处理控制器，支持数据处理控制器正常运行的存储器，看门狗，CAN总线，RS232/RS485数据通讯串口，以及相应的数据调理、数据采集接口电路。其结构框图如图五所示。