新型自动气象站系统结构
气温传感器 湿度传感器 气压传感器 风速传感器(10米) 风向传感器(10米) 雨量传感器(翻斗、大 翻斗或容栅式) 总辐射传感器 蒸发传感器 能见度传感器 气温传感器(3支) 通风防辐射罩 通风速度(3个) 降水量传感器(称重、 大翻斗) 风速(1.5米)传感器 红外地温传感器
主采集器通信接口
通信 接口 CAN 用途 主、分采集器 通信 终端操作 数量 1 2
蒸发量
能见度 固态降水 渐近开关
模拟（电流）
RS485 RS232 数字（电平）
1
1 1 1
新型自动气象站主采集器
嵌入式系统的定义：
以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统。
模拟量采样测量电路
差分电压信号测量 1）适用传感器： 辐射传感器 2）信号输出： mV级差分电压 3）测量方式： 测量差分电压 4）典型电路：
嵌入式系统的硬件组成
事件计数接口
数据采集器提供3个16位高速计数器，计数器最大容量可达 到0xFFFF（65535） 在本系统中主要用于风速传感器输出频率测量、雨量传感器 的脉冲信号计数测量 输入信号首先经过防雷抗干扰电路，再经施密特整形和单稳 态滤波电路，接入MCU的定时计数器和中断计数单元，由MCU 采集计数，可以有效保证测量的准确可靠
RS485长线传输连接本地业务系统 RJ-45网络接口 连接远程业务系统 USB设备接口 连接标准USB存储设备（自动识别，不需驱动程序），通过该口 可以将数据采集器内的数据卸载到USB存储设备内
嵌入式系统的硬件组成
CAN总线接口
主采集器通过CAN总线与各分采集器、智能传感器进行通讯 和数据交换 接口电路由CAN控制器和CAN收发器组成，与MCU通过SPI 总线相连接 支持CANopen协议
模拟量采样测量电路
单端电压信号测量 1）适用传感器： 湿度传感器 2）信号输出： 0~1V对应0~100%RH 3）测量方式： 测量单端电压 4）典型电路：
模拟量采样测量电路
电流信号测量 1）适用传感器： 蒸发传感器 2）信号输出： 4~20mA电流 3）测量方式： 加标准电阻测量差分电压 4）典型电路：
GPS授时 模块 RS485端口 基 本 观 测 要 素 传 感 器 模拟 数字 计数 通道 或智 能传 感器 接口
终端微机 （业务软件）
主 采 集 器
（实时多任务嵌入式 操作系统）
RJ45端口
RS232端口
局域网
RS232端口
RS485端口
供电单元
USB端口 USB端口
气候观ห้องสมุดไป่ตู้ 分采集器
土壤水分观测 分采集器 其他观测 分采集器
嵌入式系统的软件
多进程结构设计具有以下优点： 系统实时性强 Linux采用MCU时间片轮转调度，每个进程被MCU分配一个时 间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间，Linux系统调度 每一个进程，平等地访问微处理器，由于MCU的处理速度非常快，使 各个进程从表面上看是同时进行的。如果在时间片结束时进程还在运 行，则MCU将被剥夺并分配给另一个进程；如果进程在时间片结束前 阻塞或结束，则MCU当即进行切换，而不会造成MCU资源浪费。 将系统任务分为三个进程，就能够减少由于任务阻塞而产生的等 待时间损耗，从而提高了系统的实时性。
DZZ3型自动气象站基于 CAN总线结构，采用主采集器+分采集 器/智能传感器的模式，具有以下特点： 兼容、互换：新型自动气象站采用的现场总线是基于 CAN 总 线技术和国际标准 CANopen 协议进行设计，涉及物理层、数据链 路层和应用层的标准定义。按照统一设计要求，只要满足功能规 格书要求的主/分采集器，具备统一的物理接口和应用接口，可以 达到各厂家采集器兼容、互换的目的。 扩展：已建自动气象站扩展新的测量要素或增加传感器时， 不需要对系统已有的传感器连接、布线作改动，只需要将新的分 采集器和/或传感器加入到系统中，并进行简单的软件升级/配置。
嵌入式系统的软件
嵌入式软件：
嵌入式软件采用Linux操作系统。Linux是目前运用最普遍的嵌 入式系统内核，具有以下特点： ●完全开源 ●支持多种平台 ●多用户、多任务 ●可靠的安全、稳定性能
嵌入式系统的软件
硬件层 芯片厂商固化 驱动层 用户编写或修改Linux设备驱动 应用层 用户按功能需求编写
嵌入式系统的硬件组成
大容量的程序和数据存储器、外接存储器接口
程序存储器选用非易失性的存储芯片，容量满足嵌入式软件 的容量要求 数据存储器选用非易失性的存储期间，容量满足数据存储的 要求 具有标准CF卡接口，可以接入不同容量的标准CF卡
具有标准USB接口，可以自动加载各种U盘类设备
嵌入式系统的组成：
嵌入式微处理器
外围硬件设备 嵌入式操作系统
特定的应用程序
新型自动气象站主采集器
硬件组成：
32位MCU、16位A/D、CAN总线、RJ45接口、CF卡接口、多串口
嵌入式微处理器MCU
嵌入式微处理器MCU
ARM9系列MCU：AT91SAM9263 32位RISC架构的微处理器，其工作主频最高可达到 200MHz,可以有效地处理各种复杂任务 具有较高的集成度，片内集成有：CAN 控制器、CF卡接口、 USB接口、以太网接口、串行通信接口、多媒体接口、I2C总 线接口、SPI总线接口、计数通道、看门狗电路、MMU管理电 路等，功能强大 可直接运行Linux等嵌入式操作系统，可实现多种信号的采 集和运算处理，并实时与上位机保持联系，接收命令并执行操 作任务。
模拟量采样测量电路
模拟量采样测量电路组成：
高速低阻抗多路模拟开关
双通道16bits A/D转换芯片
16bits转换精度，相当于满量程的1/65536，无误码，低噪声， 足以保证系统中各传感器的测量精度要求 选用A/D转换芯片内部的可编程放大电路对传感器信号进行放大 处理，由于芯片内的放大电路中的各器件按照统一工艺、统一的生 产方式生产，因此可以保证该电路的稳定和变化一致性，这样可以 有效地消除时间漂移、温度漂移对放大电路的影响，从而减少信号 放大这一部分的精度损失，保证测量的准确性 A/D转换芯片能在MCU控制下自行进行零点和满量程校准，有 效消除各种因素对测量精度的影响。
嵌入式系统的硬件组成
并行输入输出接口
数据采集器提供一个8位输入输出接口, 可以作为数字量输入 接口, 也可以由MCU控制其输出, 提供外部控制信号 在本系统中主要用于测量风向（7位格雷码输出）和采集箱开 关检测（1位） 该并行数字接口，为CMOS三态高速缓冲逻辑门电路，每一 数字位都有防雷抗干扰器件
标准参考源芯片
模拟量采样测量电路
气象要素 温度 湿度
测量原理 PT100铂电阻 湿敏电容
输出信号类型 80~120Ω电阻 0~1V单端电压
测量方式 通过加恒流源激励测电压 单端电压测量
蒸发
辐射
超声波测距
4~20mA电流
mV级差分电压
通过加电阻测电压
差分电压测量
模拟量采样测量电路
电阻信号测量 1）适用传感器： 温度传感器 2）信号输出： 电阻80~120Ω 3）测量方式： 加恒流源激励测量差分电压 4）典型电路：
嵌入式系统的软件
提高了系统的可靠性 在系统中，出于安全方面的考虑，要求系统起码不能崩溃，而且 还要有自愈能力，所以应在软件设计方面提高系统的抗干扰性。目前 的自动站软件采用前后台结构设计，在遇到强干扰时，使得运行的程 序产生异常、出错、跑飞，甚至死循环，造成了系统崩溃。 而采用多进程结构设计，由于weather、weather-sjwj和 pcanhui三个进程相对独立，这种干扰可能只是引起其中的一个被破 坏。在软件设计中，在三个功能模块中各有一段子程序，用来监视其 它两个进程的运行状况，遇到异常情况时采取一些有利于系统稳定可 靠的措施，如把有问题的进程清除掉后再重启此进程等。

weather
Weather-sjwj
Pc485
模拟量采样测量电路
模拟量采样测量电路
负责模拟量的接入和采集 ，可测量电压、电流、电阻等模拟 量 在本系统中主要用于温度（电阻）测量、温度（电压）测量、 蒸发量（电流）测量 多通道16位 A/D转换芯片等，在MCU控制下按照程序要求 进行输入信号切换、A/D自校准、量程转换、模数转换等操作
CAN总线
CAN总线网络结构：
CAN总线
CAN总线：
硬件组成： 新型自动气象站主采集器 通过CAN总线与各分采集器、 智能传感器进行通讯和数据交换。 接口电路由CAN控制器和CAN 收发器组成，与MCU通过SPI总 线相连接。 CAN总线特点： CAN总线与一般的通信总 线相比，它的数据通信具有突出
DZZ3型自动气象站由数据采集系统、传感器、电源部件、 数据传输模块四部分组成
数据采集系统包括主采集器、温湿度分采集器、地温分采 集器、辐射分采集器以及可扩展的气候分采集器、土壤水分分 采集器。各采集器之间采用CAN总线进行数据通信。 供电由交流市电（或太阳能）转+12VDC作为主电源，配 以蓄电池作为后备电源。 可根据实际需要选配GPRS、北斗、光纤、RS485长线传 输中的一种或多种方式进行数据传输。
Linux内核文件的三层结构图
嵌入式系统的软件
Linux下的应用软件
RamDisk 文件系统
weather 测量采样进程
weather-sjwj 数据存储进程
pc485 PC通讯进程
嵌入式系统的软件
数据采集控制系统应用软件采用多进程结构设计，按照软件工程 中的解耦原则将系统任务分为三个功能模块： ● weather 负责传感器实时采样、与分采集器/智能传感器通 讯； ● weather-sjwj 负责将采样、分钟和小时数据按即定格式存 储在外部存储介质中，如CF卡； ● pc485 负责与业务计算机通讯，定时发送数据，并监听总线， 等待接收命令。 当系统工作时，三个功能模块各自成为一个独立的进程，在统一 的系统时钟下，运行各自对应的程序。