专利摘要

专利摘要

本实用新型公开了一种海洋气象多参数模拟仪，包括中央处理器和与中央处理器电连接的供电单元、人机交互单元、模拟器硬件电路及采集器硬件电路。本实用新型所公开的海洋气象多参数模拟仪，有别于传统的气象模拟仪，能够应用于海洋船舶环境，且满足海洋气象观测的所有标准，并进行了误差处理和运动补偿，实现了海陆两用和较高的精度。

权利要求

1.一种海洋气象多参数模拟仪，其特征在于：包括中央处理器和与中央处理器电连接的供电单元、人机交互单元、模拟器硬件电路及采集器硬件电路；其中供电单元包括与双电源切换电路电连接的锂电池和220V转12V单元，双电源切换电路为开关电源和12V转5V单元供电，12V转5V单元为5V精密电源和5V转3.3V单元供电，5V转3.3V单元为2.5V参考电源和中央处理器供电；模拟器硬件电路包括气压信号模拟电路、GPS信号模拟电路、电子罗盘信号模拟电路、风向信号模拟电路、风速信号模拟电路、温湿度信号模拟电路和雨量信号模拟电路，中央处理器通过RS232通信电路与气压信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测气压信号模拟电路的供电电压、通过RS485通信电路与GPS信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测GPS信号模拟电路的供电电压、通过RS485通信电路与电子罗盘信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测电子罗盘信号模拟电路的供电电压、通过DAC电路、正向放大电路和隔离运放电路与风向信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测风向信号模拟电路的供电电压、通过DAC电路、差分放大电路和隔离运放电路与风速信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测风速信号模拟电路的供电电压、通过正向放大电路与温湿度信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测温湿度信号模拟电路的供电电压、通过三极管驱动电路和继电器与雨量信号模拟电路电连接；采集器硬件电路包括气压传感器采样电路、GPS信号采样电路、电子罗盘信号采样电路、风速传感器采样电路、风向传感器采样电路、温湿度传感器采样电路和雨量传感器采样电路，中央处理器通过RS232通信电路和电源保护电路与气压传感器采样电路电连接、通过RS485通信电路和电源保护电路与GPS信号采样电路电连接、通过RS485通信电路和电源保护电路与电子罗盘信号采样电路电连接、通过滞回比较器与风速传感器采样电路电连接、通过电压跟随器与风向传感器采样电路电连接、通过电压跟随器和电源保护电路与温湿度传感器采样电路电连接、通过雨量接收模块与雨量传感器采样电路电连接。

2.根据权利要求1所述的海洋气象多参数模拟仪，其特征在于：所述的中央处理器采用STM32F407VET6芯片。

3.根据权利要求1所述的海洋气象多参数模拟仪，其特征在于：所述的人机交互单元为DGUS触摸屏。

说明书

技术领域

本实用新型涉及检测设备领域，具体的说涉及该领域内的一种用于海洋船舶环境的海洋气象多参数模拟仪。

背景技术

国内外一些公司自主生产了用于企业内部生产的信号模拟器，但是此类信号模拟有一定的缺陷：1)传感器信号模拟和采集数据的精度低；2)没有配套的控制软件，不利于系统移植；3)没有GPS和电子罗盘模块，无法计算航速和航向，不能适用于海上环境；4)没有根据船舶的运动状态建立船舶运动模型，解算真实的风速和风向，导致风速和风向的测量误差较大，只适合在设备静止状态测算。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种用于海洋船舶环境的海洋气象多参数模拟仪。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种海洋气象多参数模拟仪，其改进之处在于：包括中央处理器和与中央处理器电连接的供电单元、人机交互单元、模拟器硬件电路及采集器硬件电路；其中供电单元包括与双电源切换电路电连接的锂电池和220V转12V单元，双电源切换电路为开关电源和12V转5V单元供电，12V转5V单元为5V精密电源和5V转3.3V单元供电，5V转3.3V单元为2.5V参考电源和中央处理器供电；模拟器硬件电路包括气压信号模拟电路、GPS信号模拟电路、电子罗盘信号模拟电路、风向信号模拟电路、风速信号模拟电路、温湿度信号模拟电路和雨量信号模拟电路，中央处理器通过RS232通信电路与气压信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测气压信号模拟电路的供电电压、通过RS485通信电路与GPS信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测GPS信号模拟电路的供电电压、通过RS485通信电路与电子罗盘信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测电子罗盘信号模拟电路的供电电压、通过DAC电路、正向放大电路和隔离运放电路与风向信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测风向信号模拟电路的供电电压、通过DAC电路、差分放大电路和隔离运放电路与风速信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测风速信号模拟电路的供电电压、通过正向放大电路与温湿度信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测温湿度信号模拟电路的供电电压、通过三极管驱动电路和继电器与雨量信号模拟电路电连接；采集器硬件电路包括气压传感器采样电路、GPS信号采样电路、电子罗盘信号采样电路、风速传感器采样电路、风向传感器采样电路、温湿度传感器采样电路和雨量传感器采样电路，中央处理器通过RS232通信电路和电源保护电路与气压传感器采样电路电连接、通过RS485通信电路和电源保护电路与GPS信号采样电路电连接、通过RS485通信电路和电源保护电路与电子罗盘信号采样电路电连接、通过滞回比较器与风速传感器采样电路电连接、通过电压跟随器与风向传感器采样电路电连接、通过电压跟随器和电源保护电路与温湿度传感器采样电路电连接、通过雨量接收模块与雨量传感器采样电路电连接。

进一步的，所述的中央处理器采用STM32F407VET6芯片。

进一步的，所述的人机交互单元为DGUS触摸屏。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所公开的海洋气象多参数模拟仪，有别于传统的气象模拟仪，能够应用于海洋船舶环境，且满足海洋气象观测的所有标准，并进行了误差处理和运动补偿，实现了海陆两用和较高的精度。

具体的说：在硬件上：1)设计对温度、湿度、气压、雨量、GPS、电子罗盘、风速和风向传感器的高精度模拟(此部分称为“模拟器”)和采样(此部分称为“采集器”)，分别实现对气象仪和传感器的监测；2)人机交互设计，DGUS触摸屏(以下简称“DGUS屏”)的通信模块和交互界面设计；3)电源保护设计，设计了采集器电源保护电路和模拟器电源监测电路；4)风速信号模拟电路和风传感器数据采样电路设计；5)电子罗盘和GPS的信号模拟电路和数据采集电路，计算得出船的航向和航速。在软件上：1)为了提高系统模拟参数和采样参数的精度，根据海洋气象观测标准设计相应参数的数字滤波器和设计对风速风向的运动补偿算法，以便解算真实风速和风向。2)针对不同的模拟和采样参数，使用不同数字滤波算法。

附图说明

图1是本实用新型实施例1所公开海洋气象多参数模拟仪的电路连接示意图；

图2是本实用新型实施例1所公开海洋气象多参数模拟仪中风速信号模拟电路的示意图；

图3是本实用新型实施例1所公开海洋气象多参数模拟仪中风向传感器采样电路的示意图；

图4是本实用新型实施例1所公开海洋气象多参数模拟仪中风速传感器采样电路的示意图；

图5a是相对风的矢量模型；

图5b是船舶平面运动的矢量模型。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种海洋气象多参数模拟仪，包括中央处理器和与中央处理器电连接的供电单元、人机交互单元、模拟器硬件电路及采集器硬件电路；其中供电单元包括与双电源切换电路电连接的锂电池和220V转12V单元，双电源切换电路为开关电源和12V转5V单元供电，12V转5V单元为5V精密电源和5V转3.3V单元供电，5V转3.3V单元为2.5V参考电源和中央处理器供电；模拟器硬件电路包括气压信号模拟电路、GPS信号模拟电路、电子罗盘信号模拟电路、风向信号模拟电路、风速信号模拟电路、温湿度信号模拟电路和雨量信号模拟电路，中央处理器通过RS232通信电路与气压信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测气压信号模拟电路的供电电压、通过RS485通信电路与GPS信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测GPS信号模拟电路的供电电压、通过RS485通信电路与电子罗盘信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测电子罗盘信号模拟电路的供电电压、通过DAC电路、正向放大电路和隔离运放电路与风向信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测风向信号模拟电路的供电电压、通过DAC电路、差分放大电路和隔离运放电路与风速信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测风速信号模拟电路的供电电压、通过正向放大电路与温湿度信号模拟电路电连接并通过电源监测电路监测温湿度信号模拟电路的供电电压、通过三极管驱动电路和继电器与雨量信号模拟电路电连接；采集器硬件电路包括气压传感器采样电路、GPS信号采样电路、电子罗盘信号采样电路、风速传感器采样电路、风向传感器采样电路、温湿度传感器采样电路和雨量传感器采样电路，中央处理器通过RS232通信电路和电源保护电路与气压传感器采样电路电连接、通过RS485通信电路和电源保护电路与GPS信号采样电路电连接、通过RS485通信电路和电源保护电路与电子罗盘信号采样电路电连接、通过滞回比较器与风速传感器采样电路电连接、通过电压跟随器与风向传感器采样电路电连接、通过电压跟随器和电源保护电路与温湿度传感器采样电路电连接、通过雨量接收模块与雨量传感器采样电路电连接。所述的中央处理器采用STM32F407VET6芯片。所述的人机交互单元为DGUS触摸屏。

本实施例所公开的海洋气象多参数模拟仪旨在用于海洋船舶环境，具有模拟传感器参数和采集传感器参数的作用，模拟传感器参数是为检测船舶气象仪的性能，采集传感器的参数是为了检测传感器的性能，是一个便携式的中间检测设备。

模拟器硬件电路设计：模拟器硬件设计如图1左半部分所示。其主要包括多种传感器的信号模拟电路。气压、温湿度和雨量的模拟与传统气象模拟仪模拟原理大致相同，不再赘述。重点的硬件电路设计为：1)GPS和电子罗盘信号以RS485通信方式，按照既定协议传输模拟的信号；2)风向信号模拟是由片外D/A转换芯片TLC5615通过SPI与MCU进行通信输出固定的电压值，然后经过电压跟随器输出至接口；另外，风向的模拟需要一个参考电压，5V参考电压读取是通过电压跟随器和微处理器的ADC模块来读取；3)风速模拟信号与风向不同的是正弦波信号，但是电路一样，风速模拟电路设计如图2所示，TLC5615为片外DAC，1至4接口是该芯片与STM32F407VET6的SPI通信的接口，其中SPI的MOSI接1号引脚，SCK接2号引脚，CS接3号引脚，MOSI接4号引脚。该芯片的输出即6号引脚和2.5V参考电压即7号引脚接后面的差分放大电路。由于TLC5615的输出电压范围是0～5V，风速的输出是正弦波，因此有负电压；且风向输出信号的范围0V～5V。所以基于正弦波动的特性，差分放大电路的设计思路是放大将TLC5615的输出电压拉低2.5V即-2.5V～2.5V，产生负电压；然后，基于风向信号的特性和使模拟风速的范围增大，所以再乘以2倍放大，变成-5V～5V输出范围。最后为了模拟风速风向传感器的隔离特性，再设计了ISO122隔离运放，该芯片需要数字地和模拟地隔离，因此引脚即接了数字地和模拟地。为了配合风速的正弦波特性，该电路采用开关电源单独供电，产生±12V电压。

采集器硬件电路设计：采集器如图1右半部分所示，其主要包括多种传感器采样电路及TF卡存储电路。气压、温湿度和雨量的采集与传统气象模拟仪采集原理大致相同，不再赘述。重点的硬件电路设计为：1)GPS和电子罗盘信号是按照既定的协议通过RS485通信电路发送到主控模块进行报文解析并处理上传；2)风向信号通过电压跟随器输入到主控模块的ADC模块中，根据读入的参考电压解算出真实的风向，如图3所示，风向采集模块使用精密的5V的电源供电，以减少测量误差，该5V的电源使用AD586产生，在风向的参考端还加了1K的电阻，目的是区分在机械死区，还是电位上的0点；加1K的时候，当滑动变阻器滑到最底端的时候(假设滑到最底端对应0°，最上端对应355°)对应电压不为0，大约是5/11V。当滑到最顶端的时候对应5V。如果不加1K的电阻，REF是0V，当滑动变阻器滑倒最底端的时候也是0V，这样就不能区分这时的风向是对应0°还是在机械上死区，所以1K的电阻很有必要。

为了提高风速采样的精度，设计了新型的风速采样电路，风速采样电路如图4所示，其中，R1和R2是两个0Ω电阻，选择R1时，为单端输入，用于匹配采样脉冲信号输出的风传感器；选择R2时，为差分输入，用于匹配正弦波信号输出的风传感器。为了风速值在小波动下不会产生突变并提高本电路的抗干扰能力，采用滞回比较器。

当焊接R1的0Ω电阻时，属于单端输入。当焊接R2的0Ω电阻的时候属于差分信号。

1)当单端输入的时候，同相输入端的电压大约为2V，所以风速信号进入的时候与2V进行比较，为了使很小的电压(30mV左右)波动不影响后面计数器的值，采用滞回比较器，使电压变化范围很小的时候不会引起不必要的脉冲变化影响计算风速的值。

2)当差分输入的时候，这时2V的参考，会把差分信号同时抬高2V，电压的变化范围-3V～+7V，也是与单端的时候原理相同，只是脉冲的占空比不同。把比较器的同相输入端抬高2V左右，具体计算如下：当输出为高电平的时候，UP为2.0128V。当输出低电平的时候，UP为1.9802V。由于风传感器，在100rpm时，输出电压的P-P值是80mV，为了减少不必要的干扰，选择采用滞回比较器，当电压从最小值开始增加的时候，当2.0128V的时候，电压才会突变，而不会风传感器稍微一转就会改变的电平的变化，从而影响计数器的值，导致风速测量不准确。同时，如果风速变小的情况下，也会减小到1.9802V的时候才会变成低电平。从而减少风速的测量误差，抗干扰性比较强。(总体效果是：电压小于30mV时的波动不会影响脉冲的数量，从而影响风速的测量)。

3)滞回比较器的运放型号是LM293，是一款电压比较器，其周围的电阻是典型电路的电阻值，电路中的锗管是钳位的作用，将风速信号的幅值上限钳位到10V，即提高了电路抗大电压的冲击能力，也提高了风速的测量效率。

4)还有需要注意的一点是：在风速信号输入端接1M的上拉电阻的目的是：当风速信号悬空的时候，把反相输入端拉高，使比较器的输出一直为低电平，从而排除不必要的干扰。

软件设计：数据处理主要包括解算、反解算和运动补偿。解算是采集器根据传感器的输出信号与真实值之间的线性对应关系，计算出真实值的过程。反解算是模拟器根据传感器的输出信号与真实值之间的线性对应关系，将屏幕输入的参数转换成输出的电信号的过程。运动补偿的作用是消除船的航向航速对风速和风向的影响，首先根据真实风、相对风和船的运动建立运动补偿模型，然后利用此运动补偿模型，将风传感器在不同航速和航向下，测得的相对风转化成真实风，保证船舶在真实风的指导下从事各种海洋活动。

按照《海洋调查规范第3部分：海洋气象观测》，瞬时风的风速风向每3秒采集1次，温湿度是一分钟测量6次，即每十秒测量一次。为了提高采样数据的精度，采用数字滤波方式排除干扰。其中，温湿度采用去极值平均滤波算法；风速风向经运动补偿后，风向采用算数平均值滤波算法和风速采用测周法；雨量采用滑动平均滤波法。

其中风风向的运动补偿模型，介绍如下：

为了使本系统能够更好的应用于海洋环境，因此针对船舶的运动状态建立了船舶平面运动的相对风速风向和真风速风向的解算模型。通过GPS计算得出船速和航向，通过风传感器采集得到相对风速风向，根据运动补偿算法，对相对风进行运动补偿，解算出真实的风速风向，更好的验证船舶气象仪与风传感器的采样精度的准确性。

相对风是由于船在运动状态下产生的与船运动方向相反、速度大小一致的船风与真实风的结合产生的，其矢量模型如图5a所示。首先，根据海洋观测规范，以真北方向作为y轴，顺时针角度为正，建立船舶运动平面坐标系，如图5b所示。

其中真风风速为vts，真风风向为λ，相对风速为vrs，相对风向角为β，航速大小为vss，航向角为θ。

由余弦定理可知：当风的来向在船的右舷时即β∈(0,θ)∪(θ+π,2π)，且船舶在第一、二象限运动时即θ∈(0,π)，此时船风角为 计算得真实风速和风向：

当风的来向在船的右舷时即β∈(θ-π,π)，且船舶在第三、四象限运动时即θ∈(π,2π)，此时船风角为 计算得真实风速和风向：

当风的来向在船的左舷时即β∈(θ,θ+π)，且船舶在第一、二象限运动时θ∈(0,π)，此时船风角为 计算得真实风速和风向：

当风的来向在船的左舷时即β∈(0,θ-π)∪(θ,2π)时，且船舶在第三、四象限运动时即θ∈(π,2π)，此时船风角为 计算得真实风速和风向：

当船舶航向是正北即航向角θ＝0°， 时，此时真实风速为

风的来向在船的左舷时β∈(π,2π)时，真实风向为

风的来向在船的左舷时β∈(0,π)时，真实风向为

当船舶航向是正南即航向角θ＝π， 时，此时真实风速为

风的来向在船的左舷时β∈(π,2π)时，真实风向为

风的来向在船的左舷时β∈(0,π)时，真实风向为

一种海洋气象多参数模拟仪专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。