基于虛擬儀器技術和數據采集卡實現(xiàn)氣象監(jiān)測系統(tǒng)的設計

自動氣象站體積比較龐大，而且使用時地點和空間會受到地點、空問上的影響。如果借助虛擬儀器技術中易開發(fā)、小體積和方便使用等優(yōu)點，就可以利用虛擬儀器替代自動氣象站的數據采集器和數據預處理器。

虛擬儀器技術是利用計算機的硬件資源（CPU、存儲器、顯示器、鍵盤、鼠標）、標準數字電路（GPIB、RS 232接口總線、新型的VXI接口總線、信號調理和轉換電路、圖像采集電路、現(xiàn)場總線等），經過有針對性的開發(fā)測試，使之成為一套相當于使用者自己專門設計的傳統(tǒng)儀器。LabVIEW（laboratory virtual instrumentengineering workbench）是NI（national instruments）美國國家儀器公司的創(chuàng)新軟件產品，也是目前應用最廣，發(fā)展最快，功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。簡單地說，虛擬儀器技術就是用戶自定義的基于PC技術的測試和測量解決方案。相對于傳統(tǒng)儀器，它有4大優(yōu)勢，即性能高，擴展性強，開發(fā)時間少，集成功能完美。

在此介紹一種氣象監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法，以美國NI公司的LabVIEW8．5為平臺，利用氣象數據采集器，實現(xiàn)虛擬氣象監(jiān)測系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)具有數據顯示、數據存儲等功能，根據以往存儲的歷史數據，可以有針對性地對天氣情況進行顯示和分析。

1、系統(tǒng)工作原理

氣象監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、數據采集器、數據處理終端等組成。傳感器用來感應氣象要素，數據采集器可以對溫度、相對濕度、風向、風速、雨量以及氣壓等氣象要素進行采集，數據處理終端可以對數據采集器獲取的數據進行運算處理。系統(tǒng)首先采集氣象數據，之后將數據送回到氣象數據中心進行數據顯示、數據存儲。最后，氣象中心根據以往存儲的歷史數據，還可以進行歷史天氣情況的顯示和分析。采用模塊化、層次化編程思想，每一模塊完成某一特定功能。在此設計氣象監(jiān)測系統(tǒng)由數據采集、數據處理、數據顯示、數據保存4個模塊構成。整個系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2、系統(tǒng)設計

2．1 數據采集模塊

2．1．1 數據采集模塊結構

要將數據采集到計算機里，并對其進行合理的組織，就需要構建一個數據采集模塊。它包括傳感器和變換器、信號調理設備、數據采集卡、驅動程序、硬件配置管理軟件和計算機等。氣象參數物理量通過各種類型的傳感器輸出成電壓、電流、頻率等信號，然后由數據采集卡采集。數據采集模塊是用來獲取數據采集卡所獲得的數據。該模塊結構如圖2所示。

傳感器和變換器種類繁多，它們直接與各種物理量打交道，并將這些物理量轉化為DAQ系統(tǒng)可以采集的電信號。在設計自動化測量系統(tǒng)前，必須要對待測對象和測量需求作詳細分析，正確選擇合適的傳感器和變換器。系統(tǒng)采用的傳感器是WXT520，該傳感器能同時測量6個氣象要數，精確可靠，具有USB接口。信號調理設備對傳感器和變換器送來的信號采取放大、濾波、隔離等措施，將它們轉化成采集設備易于讀取的信號。如果實際中的信號符合數據采集卡等采集設備的要求，則信號調理模塊可以省略。

2．1．2 數據采集卡

本系統(tǒng)采用的數據采集卡是美國NI公司的NIUSB-6210，它是一款USB總線供電M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了16路模擬輸入；250 kS／s單通道采樣率；4路數字輸入線；4路數字輸出線；每通道有4個可編程輸入范圍（±0．2 v～±10 V）；數字觸發(fā)；2個計數器／定時器。USB-6210引腳如圖3所示。NI USB-6210是為移動應用或空間上有限制的應用的專門設計，其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設置時間，同時它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本，并簡化了信號的連接。USB總線的供電使用戶不再需要攜帶多余的外部電源。該模塊還具有新的NI信號數據流技術，實現(xiàn)了USB總線上類似DMA的雙向高速數據流操作。

2．2 軟件設計

系統(tǒng)開發(fā)采用的是NI公司的虛擬儀器專用編程語言LabVIEW，它是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，已廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，且被公認為是標準的數據采集和控制軟件。使用這種語言編程時，基本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制”程序流程圖。在一個硬件的情況下，可以通過改變軟件來實現(xiàn)不同儀器儀表的功能，非常方便。其數據分析功能、圖形顯示能力能夠滿足氣象監(jiān)測系統(tǒng)的需要，開放式的開發(fā)環(huán)境、靈活的可擴展性是現(xiàn)有手段很難完成的。該系統(tǒng)在實時天氣顯示部分，主要是完成數據顯示和數據存儲兩部分工作。

2．2．1 實時天氣顯示部分設計

數據顯示部分比較簡單。該系統(tǒng)能夠從數據采集模塊中獲取采集到的溫度、相對濕度、風向、風速、雨量以及氣壓等氣象數據，并通過LabVIEW的前面板顯示出來。實時獲取并顯示系統(tǒng)采集氣象要素的日期和時間。通過LabVIEW平臺，利用圖形化編程，不需要面對復雜、冗長的文本代碼，并且可以得到事半功倍的效果。數據采集卡完成數據采集功能，數據的運算分析和處理以及采集卡的控制都是虛擬儀器軟件在后臺進行，測量結果在虛擬儀器前面板上顯示。氣象監(jiān)測系統(tǒng)的實時天氣顯示部分主界面如圖4所示。

LabVIEW采用一種全新的圖形化編程方法，不僅人機界面使用“所見即所得”的可視化技術建立，而且程序代碼也是圖形化的，在前面板放置的每一個對象在框圖程序都會出現(xiàn)一個對應的端子。框圖程序編輯窗口所需的各種功能函數包括各種數學運算函數、信號分析函數、儀器驅動函數等均以圖標的形式由功能模板提供。設計者只需從功能模板中取出對應圖標，放置在程序框圖編輯窗口中，再用“連線”工具將其連接，以實現(xiàn)相百之間的數據傳輸，即構成了完整的框圖程序。系統(tǒng)可以實時更新從數據采集設備得到的氣象數據，并分為溫度、降雨量、氣壓、相對濕度、風速、風向六種因素實時顯示采集到的最新天氣數據。實時天氣顯示部分程序框圖如圖5所示。

2．2．2 歷史天氣分析部分設計

歷史天氣分析部分是一個獨立的程序Weatherhistory．vi，可以根據以往存儲的歷史數據來分析歷史天氣情況。根據降雨量的情況，可以將每天不同時段的天氣信息存儲到計算機中，作為參考和歷史數據分析的數據資源。歷史天氣分析部分界面和程序框圖如圖6和圖7所示。

數據存儲部分選擇了數據記錄文件類型進行氣象元素的存儲，這種類型的一個主要好處是可以有選擇的存儲，有效地保留了各種有用的組合信息。同時該系統(tǒng)具有文件存儲功能，可以對輸入數據進行保存，也可以對分析后的結果進行保存。

3、結語

本氣象監(jiān)測系統(tǒng)是以LabVIEW8．5為開發(fā)平臺，配合NI USB-6210氣象數據采集器，實現(xiàn)了虛擬氣象站的基本功能。構成的氣象監(jiān)測系統(tǒng)成功用于地面氣象觀測中，具有造價低，操作方便等優(yōu)點。隨著計算機技術和現(xiàn)代儀器技術的不斷發(fā)展，以LabVIEW為開發(fā)工具的虛擬儀器設計必將在氣象監(jiān)測方面得到越來越多的應用。

責任編輯：gt