采用直接時(shí)差法的無(wú)線超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計(jì)

摘要：采用直接時(shí)差法，以TMS320F2812為控制單元控制超聲波的發(fā)射與接收，實(shí)現(xiàn)了超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的設(shè)計(jì)。該超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀利用模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，減少了電磁干擾對(duì)電路的影響；利用限幅、放大、正弦脈沖轉(zhuǎn)換的方法設(shè)計(jì)接收電路，減少了A／D轉(zhuǎn)換波動(dòng)對(duì)信號(hào)捕獲以及時(shí)間點(diǎn)判斷的影響。
關(guān)鍵詞：超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀；模擬開(kāi)關(guān)；正弦轉(zhuǎn)脈沖；TMS320F2812

引言
常見(jiàn)的風(fēng)杯式、風(fēng)標(biāo)式風(fēng)速風(fēng)向儀因自身機(jī)械結(jié)構(gòu)固有的缺陷，測(cè)量低風(fēng)速時(shí)靈敏度不高，并且會(huì)隨使用時(shí)間的增加出現(xiàn)一定程度的老化，在惡劣的工作環(huán)境中測(cè)量精度和使用壽命均受到較大影響。
超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀誕生于20世紀(jì)80年代，意大利GC Aprilesi等人完成了其原理樣機(jī)并驗(yàn)證了功能可能性。隨著多年的研究與發(fā)展，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的精度和可靠性都在不斷提高。目前針對(duì)超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的研究，在超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)接收電路實(shí)現(xiàn)上，都采取了脈沖變壓器升壓產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和A／D采樣接收信號(hào)的方法。脈沖變壓器雖然在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上較為簡(jiǎn)單，但是當(dāng)原副線圈匝數(shù)比較大、脈沖信號(hào)頻率較高時(shí)，脈沖變壓器工作時(shí)的噪音、熱損耗和電磁干擾會(huì)相應(yīng)增大，電磁干擾對(duì)超聲波接收電路中信號(hào)處理的影響尤為嚴(yán)重，從而可能影響到最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，在接收信號(hào)由A／D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程中，由于整體電路的電磁干擾，A／D轉(zhuǎn)換值往往有較大波動(dòng)，導(dǎo)致接收時(shí)間點(diǎn)判斷上的較大超前或滯后，這種超前或滯后也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的精確性造成較大影響。
本文針對(duì)脈沖變壓器和A／D采樣電路的不足，設(shè)計(jì)出包含換能器驅(qū)動(dòng)電路、接收信號(hào)及處理電路兩部分的超聲波收發(fā)模塊。采用模擬開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方法，在降低噪音和熱損耗的同時(shí)大大降低了電磁干擾對(duì)整個(gè)電路的影響，驅(qū)動(dòng)信號(hào)更為標(biāo)準(zhǔn)并且無(wú)需在接收端搭建濾波電路。采用正弦信號(hào)轉(zhuǎn)脈沖電路使得接收時(shí)間點(diǎn)的確定更精確，波動(dòng)更小。

1 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 工作原理
超聲波在空氣中傳播時(shí)，在順風(fēng)與逆風(fēng)方向均存在速度差。當(dāng)超聲波傳播距離固定時(shí)，該速度差就反映為傳播用時(shí)的時(shí)間差，且該時(shí)間差與待測(cè)風(fēng)速之間具有線性關(guān)系。根據(jù)測(cè)量、計(jì)算時(shí)差的方法不同，一般分為直接時(shí)差法、頻差法和相位差法。直接時(shí)差法也叫脈沖聲時(shí)法，對(duì)超聲波的收發(fā)時(shí)間直接進(jìn)行測(cè)量，從而通過(guò)時(shí)間差計(jì)算得出當(dāng)前的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。
編者注：超聲波測(cè)風(fēng)速風(fēng)向原理圖及相應(yīng)公式略。
1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖1所示，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由MCU控制單元、信號(hào)隔離模塊和換能器收發(fā)模塊3個(gè)部分構(gòu)成。MCU控制單元主要完成模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的輸出、計(jì)時(shí)以及核心數(shù)據(jù)處理；信號(hào)隔離模塊主要降低各模塊之間的干擾；換能器收發(fā)模塊主要完成超聲波信號(hào)的產(chǎn)生及接收、處理工作。超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的工作流程如下：MCU每隔20 ms發(fā)出8個(gè)200 kHz脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)隔離模塊隔離后，輸入換能器收發(fā)模塊，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波信號(hào)；換能器收發(fā)模塊接收到超聲波信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作為換能器收發(fā)模塊回波信號(hào)輸入并轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)隔離模塊隔離后，輸入MCU進(jìn)行處理。

2 收發(fā)電路設(shè)計(jì)
2．1 換能器驅(qū)動(dòng)電路
由于超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀換能器對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓和頻率的要求，脈沖變壓器在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)出現(xiàn)電磁干擾強(qiáng)、噪音大、熱損耗大等缺點(diǎn)，對(duì)超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀控制電路產(chǎn)生影響。為避免脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路的上述缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種采用模擬開(kāi)關(guān)的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀換能器驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。圖中，控制波形為8個(gè)脈沖，間隔20 ms；驅(qū)動(dòng)信號(hào)為8個(gè)脈沖。