基于CC1010的智能小球測風系統(tǒng)設計

摘要：針對目前在高空風測量中使用的普通測風經緯儀需手工記錄觀測數(shù)據、手工錄入數(shù)據計算，整個測量過程程序繁瑣，而且需要多名測量員協(xié)同，同步性和實時性難以保證，造成較大的誤差和人力損耗，很難保證氣象數(shù)據采集和分析的數(shù)據準確性和可靠性。本文提出了一種解決上述問題的方法并設計了一種新的智能化、應用范圍廣的數(shù)字化小球測風系統(tǒng)。在測量過程中只需人工跟蹤測風氣球，系統(tǒng)能夠自動采集測風數(shù)據并且自動計算測風結果。系統(tǒng)包括：電子測風經緯儀、CC1010數(shù)據采集板、FT232RL（USB轉串口芯片）和筆記本計算機。

　　0.引言

　　大氣邊界層是大氣層的底層部分，邊界層的大氣變化對人類的社會活動有著很大的影響。大氣邊界層的重要性決定了人類必須對其進行研究，掌握它的特征和變化規(guī)律。對于局部區(qū)域測風經常采用的方法是雙經緯儀小球測風。本文介紹了一種新的智能化、應用范圍廣的數(shù)字化小球測風系統(tǒng)。

　　1.總體系統(tǒng)設計

　　本系統(tǒng)中將兩個電子經緯儀分別放置在A、B兩點，AB′為AB在水平面上的投影稱為“基線”，BB′為實際應用是放置兩臺電子經緯儀存在的高度差，P點為測風氣球，PA為測風氣球在水平面的投影，α、β、γ、δ分別為兩臺電子經緯儀測出的氣球的方位角和俯仰角，數(shù)據通過接于電子經緯儀RS—232串口的從機（無線單片機CC1010）用無線傳輸方式傳送到主機（無線單片機CC1010）處，主機通過USB轉串口芯片F(xiàn)T232RL 通過USB口將數(shù)據傳送到上位機（PC機）中，PC機中的應用程序經過數(shù)據分析和處理得出當前小球的位置和對應實時風速和風向。
 

圖1 雙經緯儀小球測風系統(tǒng)示意圖

圖2 系統(tǒng)框圖

　　2.硬件部分

　　2.1 數(shù)據采集芯片的選擇

　　我們選擇了CHI PCON公司的CC1010芯片。CC1010是根據SmartRF 技術，在0.35um CMOS工藝下研制出的一種內嵌8051單片機的單片可編程UHF收發(fā)器芯片，該芯片除了以8051技術為核心外，還內嵌32kB的Flash存儲器、2048+ 128 B的SRAM，以及3通道10 bit A /D轉換器、4個定時器、2個PWM、2個UART、RTC、看門狗電路、SP I、DES編碼和26個通用I/O。芯片的高度集成結構使其具有高速度、高靈敏度性、低功耗、低成本、集成單片機和位判決、同步、頻率靈活性等特點。通過Chipcon公司提供的Windows界面下使用的SmartRF Studio軟件，CC1010芯片對于不同的應用場合能配置出最佳性能。SmartRF Studio將根據用戶輸入的各項參數(shù)給出所有必需的CC1010 芯片配置信息，這些16進制數(shù)作為CC1010芯片的配置信息將被輸入到微控制器中。根據配置信息，寄存器能改變以下主要參數(shù)：接/發(fā)送模式，傳輸率和數(shù)據格式（NRZ、曼徹斯*或UART接口），頻率合成主要參數(shù)，頻率合成鎖定指示模式，可選RSSI或外部IF以及晶體振蕩開/關模式等。

　　同時，由于CC1010芯片是以一個有長遠應用背景的8051內核為核心，很多行的8051開發(fā)軟件、開發(fā)工具，都可以用于該芯片的軟件開發(fā)，例如著名的的KEIL C51開發(fā)工具和UV2集成開發(fā)環(huán)境等。

　　2.2系統(tǒng)無線收發(fā)模塊設計

　　CHI P CON公司的C C 1 0 1 0芯片內部有射頻接收發(fā)射器（RFTransceiver），CC1010 UHF RF收發(fā)器為低功耗，低電壓應用而設計的，采用的頻率為ISM（IndustrialScientific Medical）頻段，此頻段主要是開放給工業(yè)、科學、醫(yī)學三個機構使用，和SRD （Short RangeDevice）頻段在315、433、868、915等頻段，但也可以通過軟件編程使其工作在300~1000 MHZ范圍。內部具備快速鎖相環(huán)設置功能，可采用跳頻協(xié)議。在FSK調制模式下，數(shù)據速率可達到76.8K波特。

　　主要特點： 接收靈敏度-107dBm （典型） ; 輸出功率可以調整，最大+10 dBm。

　　2.3 USB轉串口芯片的選擇

　　本系統(tǒng)選擇了FTDI公司推出的FT232RL USB-UART橋聯(lián)器，它具有板載EEPROM和主時鐘發(fā)生器、3.3V LDO調節(jié)器、復位發(fā)生器和USB終端電阻。可實現(xiàn)USB到串行UART接口的轉換，也可轉換到同步，異步BIT-BANG接口模式。提供各操作系統(tǒng)下的驅動。FT232RL內部主要由USB收發(fā)器、串行接口引擎（SIE）、USB協(xié)議引擎、先進先出（FIFO）控制器，波特率發(fā)生器、時鐘乘法器/驅動器、3.3V穩(wěn)壓模塊、內部12MHz的振蕩器和通用異步收發(fā)器（UART）控制器等部分組成。

　　對于與R S 2 3 2 接口部分，UART主要用來完成RS232接口的串行和并行之間的數(shù)據轉換。

　　FT232RL提供完整的信號，使其具有通用性，還可以與除RS232之外的其它通信方式進行轉換。

　　FT232RL內部的兩個雙口FIFO緩沖區(qū)，一個是128字節(jié)的發(fā)送緩沖器，另一個是256字節(jié)的接收緩沖器。他們均用于USB數(shù)據和RS232數(shù)據的交換緩沖區(qū)，UART FIFOController 可以用于處理這兩個緩沖器與UART收發(fā)寄存器之間的數(shù)據傳輸。

　　3.軟件部分

　　在本系統(tǒng)中主要實現(xiàn)的軟件功能主要由3大部分組成：主機程序、從機程序和計算機程序。在各功能模塊中，主機部分主要實現(xiàn)數(shù)據的接收和發(fā)送給上位機等功能；從機部分主要負責數(shù)據采集、發(fā)送數(shù)據給主機等功能；上位機部分主要實現(xiàn)數(shù)據分析和處理得出當前小球的位置和對應實時風速和風向。

　　在上位機上利用FTDI公司提供的虛擬串行口VCP驅動程序，將USB口虛擬成一個串口，像一個標準的串口那樣進行進行外設和PC機的通信。

　　主機和從機的軟件在keil c平臺上進行程序設計開發(fā)，上位機程序由Visual Basic6.0完成。

　　4.結論

　　本文提出的高效的雙經緯儀小球測風系統(tǒng)能夠有效的為掌握一個地區(qū)邊界層大氣運動規(guī)律，研究大氣污染物稀釋、擴散的規(guī)律，為工業(yè)布局、城市規(guī)劃、新建項目大氣污染預報等提供可靠的資料，具有重要的現(xiàn)實意義。