基于CC1010的智能小球测风系统设计

摘要：针对目前在高空风测量中使用的普通测风经纬仪需手工记录观测数据、手工录入数据计算，整个测量过程程序繁琐，而且需要多名测量员协同，同步性和实时性难以保证，造成较大的误差和人力损耗，很难保证气象数据采集和分析的数据准确性和可靠性。本文提出了一种解决上述问题的方法并设计了一种新的智能化、应用范围广的数字化小球测风系统。在测量过程中只需人工跟踪测风气球，系统能够自动采集测风数据并且自动计算测风结果。系统包括：电子测风经纬仪、CC1010数据采集板、FT232RL（USB转串口芯片）和笔记本计算机。

　　0.引言

　　大气边界层是大气层的底层部分，边界层的大气变化对人类的社会活动有着很大的影响。大气边界层的重要性决定了人类必须对其进行研究，掌握它的特征和变化规律。对于局部区域测风经常采用的方法是双经纬仪小球测风。本文介绍了一种新的智能化、应用范围广的数字化小球测风系统。

　　1.总体系统设计

　　本系统中将两个电子经纬仪分别放置在A、B两点，AB′为AB在水平面上的投影称为“基线”，BB′为实际应用是放置两台电子经纬仪存在的高度差，P点为测风气球，PA为测风气球在水平面的投影，α、β、γ、δ分别为两台电子经纬仪测出的气球的方位角和俯仰角，数据通过接于电子经纬仪RS—232串口的从机（无线单片机CC1010）用无线传输方式传送到主机（无线单片机CC1010）处，主机通过USB转串口芯片FT232RL 通过USB口将数据传送到上位机（PC机）中，PC机中的应用程序经过数据分析和处理得出当前小球的位置和对应实时风速和风向。
 

图1 双经纬仪小球测风系统示意图 [p]

图2 系统框图

　　2.硬件部分

　　2.1 数据采集芯片的选择

　　我们选择了CHI PCON公司的CC1010芯片。CC1010是根据SmartRF 技术，在0.35um CMOS工艺下研制出的一种内嵌8051单片机的单片可编程UHF收发器芯片，该芯片除了以8051技术为核心外，还内嵌32kB的Flash存储器、2048+ 128 B的SRAM，以及3通道10 bit A /D转换器、4个定时器、2个PWM、2个UART、RTC、看门狗电路、SP I、DES编码和26个通用I/O。芯片的高度集成结构使其具有高速度、高灵敏度性、低功耗、低成本、集成单片机和位判决、同步、频率灵活性等特点。通过Chipcon公司提供的Windows界面下使用的SmartRF Studio软件，CC1010芯片对于不同的应用场合能配置出最佳性能。SmartRF Studio将根据用户输入的各项参数给出所有必需的CC1010 芯片配置信息，这些16进制数作为CC1010芯片的配置信息将被输入到微控制器中。根据配置信息，寄存器能改变以下主要参数：接/发送模式，传输率和数据格式（NRZ、曼彻斯*或UART接口），频率合成主要参数，频率合成锁定指示模式，可选RSSI或外部IF以及晶体振荡开/关模式等。

　　同时，由于CC1010芯片是以一个有长远应用背景的8051内核为核心，很多行的8051开发软件、开发工具，都可以用于该芯片的软件开发，例如着名的的KEIL C51开发工具和UV2集成开发环境等。

　　2.2系统无线收发模块设计

　　CHI P CON公司的C C 1 0 1 0芯片内部有射频接收发射器（RFTransceiver），CC1010 UHF RF收发器为低功耗，低电压应用而设计的，采用的频率为ISM（IndustrialScientific Medical）频段，此频段主要是开放给工业、科学、医学三个机构使用，和SRD （Short RangeDevice）频段在315、433、868、915等频段，但也可以通过软件编程使其工作在300~1000 MHZ范围。内部具备快速锁相环设置功能，可采用跳频协议。在FSK调制模式下，数据速率可达到76.8K波特。

　　主要特点： 接收灵敏度-107dBm （典型） ; 输出功率可以调整，最大+10 dBm。

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　　2.3 USB转串口芯片的选择

　　本系统选择了FTDI公司推出的FT232RL USB-UART桥联器，它具有板载EEPROM和主时钟发生器、3.3V LDO调节器、复位发生器和USB终端电阻。可实现USB到串行UART接口的转换，也可转换到同步，异步BIT-BANG接口模式。提供各操作系统下的驱动。FT232RL内部主要由USB收发器、串行接口引擎（SIE）、USB协议引擎、先进先出（FIFO）控制器，波特率发生器、时钟乘法器/驱动器、3.3V稳压模块、内部12MHz的振荡器和通用异步收发器（UART）控制器等部分组成。

　　对于与R S 2 3 2 接口部分，UART主要用来完成RS232接口的串行和并行之间的数据转换。

　　FT232RL提供完整的信号，使其具有通用性，还可以与除RS232之外的其它通信方式进行转换。

　　FT232RL内部的两个双口FIFO缓冲区，一个是128字节的发送缓冲器，另一个是256字节的接收缓冲器。他们均用于USB数据和RS232数据的交换缓冲区，UART FIFOController 可以用于处理这两个缓冲器与UART收发寄存器之间的数据传输。

　　3.软件部分

　　在本系统中主要实现的软件功能主要由3大部分组成：主机程序、从机程序和计算机程序。在各功能模块中，主机部分主要实现数据的接收和发送给上位机等功能；从机部分主要负责数据采集、发送数据给主机等功能；上位机部分主要实现数据分析和处理得出当前小球的位置和对应实时风速和风向。

　　在上位机上利用FTDI公司提供的虚拟串行口VCP驱动程序，将USB口虚拟成一个串口，像一个标准的串口那样进行进行外设和PC机的通信。

　　主机和从机的软件在keil c平台上进行程序设计开发，上位机程序由Visual Basic6.0完成。

　　4.结论

　　本文提出的高效的双经纬仪小球测风系统能够有效的为掌握一个地区边界层大气运动规律，研究大气污染物稀释、扩散的规律，为工业布局、城市规划、新建项目大气污染预报等提供可靠的资料，具有重要的现实意义。