专利名称：现场总线自动气象站的制作方法
技术领域：
本发明属于气象监测装置，涉及一种现场总线自动气象站，这种自动气象站利用现场总线技术可以在现场总线范围内(10km)，方便地采集各种气象要素。然后，利用GPRS及因特网技术，将分布在广阔区域(GPRS及因特网所覆盖范围)的气象状况信息进行采样、计算、编辑处理，作为气象预报的原始资料，供预报分析使用。
背景技术：
目前国内外所使用的自动气象站，大多是采用集中控制的系统。即各种传感器与数据采集器用模拟/数字信号线逐一直接连接，有多少传感器，就安装多少电缆线，而且采集器还要设计相应数量的模拟/数字接口电路。这就造成了现场线缆施工量大，传感器与采集器距离受限制，成本高，维护、检修困难。由于测量变换电路的增加，使得测量精度下降，特别是当传感器与采集器距离较远时，这种系统就无法胜任；另外，在自动气象站有部分功能变化时，就需要修改整个自动气象站的软硬件，使得设计开销增大。因此，在有些方面就需要考虑现场总线技术来解决上述问题。比如高速公路能见度、飞机场跑道风、过江电缆铁塔的梯度风测量、农作物的大范围的土壤湿度测量等。
为了克服上述集中控制方式的缺点，国内外也有利用“1-Wire”现场总线来设计分布式自动气象站的例子，除了一根地线，它使用一根信号线传输串行数据，同时采取“寄生电源技术”使得信号线兼作电源线，使得分布式结构简约、紧凑、易于扩充。但该技术也存在几个较大的缺点1、该现场总线通信的“0/1”信号是依靠高/低电平的脉宽变化得到的，没有共模干扰抑制能力，通信距离短，最长只有300m左右，且误码率高。
2、没有CRC硬件纠错能力，通信需要CPU介入，进行软件CRC纠错，使得CPU软件负荷加大，运行速度降低，也使得软件设计开销增大，结构的简约是牺牲软件的效率换来的。
发明内容
针对上述集中控制方式以及“1-Wire”形式现场总线技术情况，本发明的目的是提出一种解决方案，新方案将具有共模干扰抑制能力，大幅度延长通信距离，使气象数据传输距离在现场总线范围内达到10km，且明显降低误码率。同时，新方案还具备硬件纠错能力，不需进行软件CRC纠错，使得CPU软件的运行速度和效率大幅度提高。
完成上述发明任务的技术方案是现场总线自动气象站，设有若干传感器与数据采集器，数据采集器单片机及软/硬件设计构成，其特征在于，传感器与主数据采集器的连接采用CAN现场总线实现，所述的CAN现场总线由三个层次构成(1)传感器层；(2)现场控制层；(3)显示控制层，其中，传感器层由所述的若干传感器构成；现场控制层由各个分采集器(各节点)与主采集器(主节点)构成，各个分采集器和主采集器均由单片机及软/硬件设计构成，均配备CAN接口；分采集器分别与所述的传感器通过信号电缆相连；并通过CAN总线与主采集器连接；显示控制层，由主节点通过“本地/远程通信口RS-232“与因特网连接构成，实现广阔区域内的气象状况信息的传递。
以上方案中所述的“若干传感器”，与现有技术相同，包括各种气象要素的传感器。
所述的分采集器和主采集器，均属于前述的“数据采集器”范畴。
本发明的要点是使用CAN现场总线技术来构建“新型现场总线自动气象站”。CAN现场总线是一种汽车智能控制网络，实时性、可靠性都很好。
在上述方案中，传感器层用于将气象物理参数转换成各种电信号。与传感器相连的现场控制层中的各个分采集器(各节点)，由单片机及软/硬件设计构成，均配备CAN接口，主要完成信号采集、信号处理，并通过CAN总线与主采集器(主节点，由单片机软硬件设计构成，亦配备CAN接口)进行数据交换通信，把各节点的气象数据上传给主节点，并可接收主节点向各节点发送的各种采集命令。最高层是显示控制层，由主节点统一采集各节点的气象数据，进行数据处理后，通过“本地/远程通信口RS-232“发送到因特网上，实现广阔区域内的气象状况信息的传递。
本发明的进一步改进，可以有以下优化方案在传感器层中，设有普通要素传感器，该传感器直接与主采集器(主节点)连接。
以下7点说明本发明可以较好地解决上述问题1、新型现场总线自动气象站的网络拓扑结构，完全由硬件实现CAN总线协议，支持CAN2.0A，CAN2.0B，可以完成CAN总线协议物理层和数据链路层的功能。
CAN-bus的高层协议，使用CANopen协议。嵌入式软件使用实时多任务操作系统RTOS)进行编程。
2、现场总线，由一对阻抗为120Ω的双绞线(CAN-H，CAN-L)构成。双绞线的两端各配置一只120Ω的阻抗匹配器终端，用于降低终端的驻波干扰。
3、主采集器直接采集普通气象要素传感器数据，其他特殊气象要素则由节点1至n的特殊气象要素传感器通过CAN传送给主采集器。
4、主采集器(主节点)和n个节点则构成了整个分布式的新型现场总线自动气象站。
各节点间的串行数据通信，以差分驱动/差分接收的方式完成，这对共模干扰信号有着极大的抑制作用。
因此，节点间最大距离可达到10km(5K bps)；最高传输速率为1M bps(通信距离40m)；节点数n＜110。
5、采用了CAN技术之后，节点数(即传感器数)可以很方便地增加与减少，还可以调整传感器的种类，且不会影响其他节点和系统的运行。
6、简化了自动气象站的软/硬件设计工作，只需要将系统和各节点进行软硬件配置，即可形成符合具体要求的新型自动气象站。同时，CAN技术的应用还可以简化系统的安装、运行维护、维修工作。
7、采集器具备RS-232接口，根据不同需要，可以连接到本地终端，进行数据处理；也可以通过网卡、GPRS连接到因特网上，实现广阔区域内的气象状况信息的传递。
总之，本发明具有共模干扰抑制能力，大幅度延长通信距离，使气象数据传输距离在现场总线范围内达到10km，且明显降低误码率。同时，新方案还具备硬件纠错能力，不需进行软件CRC纠错，使得CPU软件的运行速度和效率大幅度提高。
实施例1，现场总线自动气象站，设有若干传感器与数据采集器，数据采集器单片机及软/硬件设计构成，其特征在于，传感器与主数据采集器的连接采用CAN现场总线实现，所述的CAN现场总线由三个层次构成传感器层；现场控制层；显示控制层，其中，传感器层由所述的若干传感器构成；现场控制层由各个分采集器与主采集器构成，各个分采集器和主采集器均由单片机及软/硬件设计构成，均配备CAN接口；分采集器分别与所述的传感器通过信号电缆；并通过CAN总线与主采集器连接；显示控制层，由主节点通过本地/远程通信口RS-232与因特网连接构成，实现广阔区域内的气象状况信息的传递。
现场总线自动气象站的网络拓扑结构，完全由硬件实现CAN总线协议，支持CAN2.0A，CAN2.0B，可以完成CAN总线协议物理层和数据链路层的功能。CAN-bus的高层协议，使用CANopen协议。嵌入式软件使用实时多任务操作系统RTOS)进行编程。现场总线由一对阻抗为120Ω的双绞线(CAN-H，CAN-L)构成。双绞线的两端各配置一只120Ω的阻抗匹配器终端，用于降低终端的驻波干扰。主采集器直接采集普通气象要素传感器数据，其他特殊气象要素则由节点1至n的特殊气象要素传感器通过CAN传送给主采集器。主采集器(主节点)和n个节点则构成了整个分布式的新型现场总线自动气象站。各节点间的串行数据通信，以差分驱动/差分接收的方式完成，这对共模干扰信号有着极大的抑制作用。
因此，节点间最大距离可达到10km(5K bps)；最高传输速率为1M bps(通信距离40m)；节点数n＜110。
权利要求
1.一种现场总线自动气象站，设有若干传感器与数据采集器，数据采集器单片机及软/硬件设计构成，其特征在于，传感器与主数据采集器的连接采用CAN现场总线实现，所述的CAN现场总线由三个层次构成传感器层；现场控制层；显示控制层，其中，传感器层由所述的若干传感器构成；现场控制层由各个分采集器与主采集器构成，各个分采集器和主采集器均由单片机及软/硬件设计构成，均配备CAN接口；分采集器分别与所述的传感器通过信号电缆；并通过CAN总线与主采集器连接；显示控制层，由主节点通过本地/远程通信口RS-232与因特网连接构成，实现广阔区域内的气象状况信息的传递。
2.按照权利要求1所述的现场总线自动气象站，其特征在于，在传感器层中，设有普通要素传感器，该传感器直接与主采集器连接。
3.按照权利要求1或2所述的现场总线自动气象站，其特征在于，所述的现场总线，由一对阻抗为120Ω的双绞线构成，双绞线的两端各配置一只用于降低终端驻波干扰的120Ω的阻抗匹配器终端。
全文摘要
现场总线自动气象站，设有若干传感器与数据采集器，数据采集器单片机及软/硬件设计构成，特征是传感器与主数据采集器的连接采用CAN现场总线实现，所述的CAN现场总线由三个层次构成传感器层；现场控制层；显示控制层，其中，传感器层由所述的若干传感器构成；现场控制层由各个分采集器与主采集器构成，各个分采集器和主采集器均由单片机及软/硬件设计构成，均配备CAN接口；分采集器分别与所述的传感器通过信号电缆；并通过CAN总线与主采集器连接；显示控制层，由主节点通过本地/远程通信口RS－232与因特网连接构成，实现广阔区域内的气象状况信息的传递。本发明使气象数据传输距离达到10km，且明显降低误码率。
文档编号G01W1/02GK1760696SQ20051009413
公开日2006年4月19日 申请日期2005年8月31日 优先权日2005年8月31日
发明者孙立新, 金红伟, 花卫东, 许道, 席建辉 申请人:江苏省无线电科学研究所有限公司