基于Cortex—M3的自動氣象站設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能采集溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速4個氣象要素，采集的原始數(shù)據(jù)保存在本地SD卡中，同時對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)打包成氣象數(shù)據(jù)包，使用GPRS模塊將數(shù)據(jù)包通過GSM網(wǎng)絡(luò)上傳到上位機。采集系統(tǒng)主控制器使用基于Conex—M3內(nèi)核的STM32處理器，在處理器上移植μc／os—II實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，保證了數(shù)據(jù)采集中較好的實時性和穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)處理方面，參考地面觀測規(guī)范對溫度、濕度、氣壓采用篩除大小值取算術(shù)平均的算法，對風(fēng)速測量數(shù)據(jù)采用滑動平均算法。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)正常運行，測量精度達到設(shè)計要求，具有成本低廉，精度高，具有較好的實時性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：Correx-M3；STM32；氣象數(shù)據(jù)采集；μc／os—II

0 引言
    隨著我國氣象事業(yè)的快速發(fā)展，人們對氣象信息采集的要求也越來越高，傳統(tǒng)的人工操作和讀數(shù)不僅勞動效率低下，而且容易出現(xiàn)人為錯誤，已無法滿足現(xiàn)代氣象觀測的要求，近些年，電子技術(shù)的快速發(fā)展為氣象數(shù)據(jù)采集技術(shù)的更新和設(shè)備換代提供了條件，Cortex—M3基于ARM公司最新的v7平臺，它的數(shù)據(jù)處理能力是ARM7的兩倍，而功耗只有ARM7的1／3，低廉的價格使其具有很高的性價比，在Cortex-M3上移植μc／os—II實時操作系統(tǒng)保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，其具有的諸多優(yōu)點非常適合存自動氣象數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域使用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計
    整個氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件主要由氣象數(shù)據(jù)采集傳感器模塊、主控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及上位機接收模塊組成。傳感器采集模塊在主控制器的驅(qū)動下完成溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速數(shù)據(jù)的采集，主控制模塊由使用Cortex—M3內(nèi)核的STM32處理器的最小系統(tǒng)組成，完成對數(shù)據(jù)采集傳感器模塊的控制以及對采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理工作，數(shù)據(jù)處理按照《地面氣象規(guī)范2003》的基本要求執(zhí)行，數(shù)據(jù)存儲模塊使用SD卡來完成測量數(shù)據(jù)的本地備份，處理完的數(shù)據(jù)打包成氣象數(shù)據(jù)包使用GPRS模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機，上位機模塊由GPRS模塊和PC組成，上位機通過GSM網(wǎng)絡(luò)接收測量數(shù)據(jù)并進一步處理，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 氣象數(shù)據(jù)采集模塊
    系統(tǒng)氣壓采集模塊使用BMP085數(shù)字氣壓傳感器，其和STM32通信使用標(biāo)準(zhǔn)的IIC協(xié)議，其內(nèi)置的EEPROM中存儲了補償計算需要的11個參數(shù)，它們是11個連續(xù)存儲的16位數(shù)據(jù)，存儲地址為0XAA～0XBF，當(dāng)STM32在讀取了測量數(shù)據(jù)后需要通過補償計算得到單位為hpa的測量數(shù)據(jù)。溫濕度采集模塊使用AM2301數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，其與STM32通信使用單總線通信協(xié)議，該模塊內(nèi)置了一個8位的MCU，能自動完成數(shù)據(jù)的測量工作，當(dāng)STM32得到了總線的控制權(quán)后，輸出低電平大于800μs后，AM2301模塊就得到了總線控制權(quán)并輸出80μs的低電平作為響應(yīng)信號并馬上連續(xù)輸出40bit的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)格式為：40bit=濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位+校驗位，其中校驗位=濕度高位+濕度低位+溫度高位+溫度低位。風(fēng)速采集模塊使用FY-FS風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器，風(fēng)吹動風(fēng)杯轉(zhuǎn)動會把風(fēng)速信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號輸出，STM32使用外部中斷和定時中斷來捕獲脈沖頻率并通過計算得到實時風(fēng)速值。處理完成的數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，SD卡是一種存儲容量為1 G的FLASH產(chǎn)品，與STM32通過SPI協(xié)議通訊。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊使用SIM300，利用短信息方式(TEXT模式)通過GSM網(wǎng)絡(luò)與上位機通信，STM32使用AT指令通過串口與SIM300通信，上位機使用SIM300模塊接收測量數(shù)據(jù)進行下一步處理。
    數(shù)據(jù)采集各模塊的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表1，其中溫濕度、氣壓使用平均算法，風(fēng)速使用滑動平均算法。

    平均算法：測量一分鐘，每分鐘取樣6次，去掉一個最大值和最小值，剩下4個值取算術(shù)平均。
    滑動平均算法：當(dāng)采集速率每秒一次(t=1)，平均期間T=3s，連續(xù)測量120s，代入下面公式計算：
   
    式中：n個樣本值的平均值，：n-1個樣本值的平均值，Yn：第n個樣本值，t：采樣時間，T：平均期間(s)。

3 軟件設(shè)計
3．1 基于Cortex—M3的μc／os—II移植
    μc／os—II是一種典型的具有可剝奪型內(nèi)核的基于任務(wù)優(yōu)先級調(diào)度的實時操作系統(tǒng)，可同時管理多達64個任務(wù)，由于Cortex—M3不支持32位的ARM指令集，而只支持Thumb-2指令集，這種不向后兼容的方式使Cortex—M3之前平臺使用的ARM匯編語言程序都不能直接移植到Cort ex—M3上，筆者從μc／os—II和Cortex—M3的內(nèi)核結(jié)構(gòu)研究著手，對μc／os—II內(nèi)核中INCLUDES．H、OS_CFG．H、OS_CPU．H、OS_CPU_ C．C、OS_CPU_A．ASM五個與應(yīng)用程序和處理器相關(guān)的文件進行修改，在INCLUDES．H中增加了與STM32處理器相關(guān)的外設(shè)寄存器定義和內(nèi)存映射的頭文件，在OS_CFG．H中完成對μc／os—II內(nèi)核構(gòu)造部分的配置工作，在OS_CPU．H中完成與編譯器相關(guān)數(shù)據(jù)類型的定義、任務(wù)堆棧數(shù)據(jù)類型的定義，以及任務(wù)堆棧方向的設(shè)定工作，在OS_CPU_C．C中根據(jù)Cortex—M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)完成系統(tǒng)任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于在C環(huán)境下無法對Cortex—M3的寄存器進行操作，所以需要在OS_CPU_A．ASM匯編環(huán)境中完成對臨界區(qū)函數(shù)、上下任務(wù)切換函數(shù)以及中斷服務(wù)子程序中的任務(wù)切換函數(shù)的設(shè)計工作，在完成以上修改后還需在c環(huán)境下增加系統(tǒng)時鐘配置和中斷函數(shù)為μc／os—II提供一個周期性信號源，在STM32中系統(tǒng)時鐘是由SysTick定時器來提供的。
3．2 μc／os—II任務(wù)設(shè)計
    在μc／os—II架構(gòu)下整體設(shè)計中需要建立7個任務(wù)，如圖2所示，由于統(tǒng)計任務(wù)主要作用是計算當(dāng)前CPU的利用率，需要消耗相當(dāng)?shù)腟TM32內(nèi)部資源，所以為節(jié)約系統(tǒng)資源在這里需要把系統(tǒng)配置OS_TASK_STAT_EN設(shè)置為0，禁止使用統(tǒng)計任務(wù)，空閑任務(wù)是必須的，在沒有其它任務(wù)進入就緒狀態(tài)時投入運行，當(dāng)系統(tǒng)開始運行前自動建立，優(yōu)先級自動配置為最低。由于系統(tǒng)要求在開始多任務(wù)調(diào)度前必須新建一個任務(wù)，所以我們建立了一個開始任務(wù)，開始仟務(wù)作用就是新建另外5個任務(wù)，包括：溫濕度采集任務(wù)、氣壓數(shù)據(jù)采集任務(wù)、風(fēng)速采集任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，完成這5個任務(wù)建立后開始任務(wù)就會自己掛起。完成對任務(wù)設(shè)計后還需要對任務(wù)的優(yōu)先級進行設(shè)置，空閑任務(wù)優(yōu)先級設(shè)置為最低，風(fēng)速采集任務(wù)頻率最高為1s／次，所以優(yōu)先級應(yīng)設(shè)置為最高，溫濕度和氣壓采集任務(wù)頻率相同為10s／次，設(shè)置優(yōu)先級應(yīng)低于風(fēng)速采集任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送任務(wù)應(yīng)該都在前面幾個數(shù)據(jù)采集任務(wù)完成后，所以設(shè)置優(yōu)先級應(yīng)該更低一些，開始任務(wù)由于在新建任務(wù)后被掛起并不參與任務(wù)調(diào)度，所以優(yōu)先級可以設(shè)置為次于空閑任務(wù)的最低級。

3．3 系統(tǒng)整體調(diào)試
    在主函數(shù)中需要進行初始化工作，主要完成STM32時鐘系統(tǒng)和μc／os—II時鐘系統(tǒng)配置，初始化操作系統(tǒng)后新建開始任務(wù)TaskStart后操作系統(tǒng)開始運行，在系統(tǒng)剛開始進行任務(wù)調(diào)度時由于只有空閑任務(wù)和開始任務(wù)參與任務(wù)調(diào)度，開始任務(wù)優(yōu)先級最高所以執(zhí)行開始任務(wù)，在開始任務(wù)中又新建氣壓測量任務(wù)(TaskPre)、溫濕度測量任務(wù)(TaskTem)、風(fēng)速測量任務(wù)(TaskV)、數(shù)據(jù)存儲任務(wù)(TaskFlash)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)(TaskSim)，完成任務(wù)新建后開始任務(wù)被掛起進入休眠狀態(tài)，不再參與任務(wù)調(diào)度，根據(jù)事先設(shè)計好的優(yōu)先級系統(tǒng)總是執(zhí)行優(yōu)先級最高的任務(wù)，風(fēng)速測量任務(wù)優(yōu)先級最高，掛起時間一到總能得到處理器的使用權(quán)，當(dāng)測量完畢后任務(wù)自動掛起不參與任務(wù)調(diào)度，類似的情況，溫濕度測量、氣壓測量完成各自測量數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)處理器后也自動掛起，并把標(biāo)志為置1表示測量工作完成，數(shù)據(jù)存儲任務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)根據(jù)判斷標(biāo)志位決定是否進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)發(fā)送工作，其主函數(shù)和開始任務(wù)主要代碼如下：


    在完成新建任務(wù)后進行整體軟件調(diào)試，PC機通過USB轉(zhuǎn)串口線接入SIM300模塊后通過串口調(diào)試助手來觀察接收到的下位機測量的氣象數(shù)據(jù)，在這里需要注意的是，在氣壓測量、溫濕度測量、風(fēng)速測量任務(wù)中，為了數(shù)據(jù)讀取和處理方便我們?nèi)〉臄?shù)據(jù)都是整數(shù)的，比如溫度為12．8℃，我們實際存儲數(shù)據(jù)就是128且是分在三個變量來存儲百、十、個位的，所以為了數(shù)據(jù)的發(fā)送，我們設(shè)置一個全局數(shù)組data設(shè)計為一個數(shù)據(jù)幀來存儲測量的數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)格式作如下定義：u8 data=濕度數(shù)據(jù)[3位]+溫度數(shù)據(jù)[3位]+氣壓數(shù)據(jù)[5位]+風(fēng)速[3位]來存儲測量的數(shù)據(jù)，在通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)時只需要通過AT指令把數(shù)組中的數(shù)據(jù)發(fā)送即可，上位機接收到數(shù)據(jù)如圖3所示。

4 結(jié)論
    本設(shè)計實現(xiàn)了μc／os—II在Cortex-M3上的移植并通過了實驗驗證，同時依照設(shè)計功能要求在μc／os—II平臺上完成了氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各個任務(wù)的設(shè)計工作，經(jīng)實驗驗證，本系統(tǒng)能正常運行，氣象數(shù)據(jù)測量精度達到設(shè)計要求，具有成本低廉，精度高，易于實現(xiàn)等特點，具有較好的實時性和穩(wěn)定性。