基于DSP的超聲波式風速風向檢測儀的設計

隨著超聲波技術的發(fā)展，超聲波在風速測量、流體的流速和流量的測量中起到了重要作用。目前，采用超聲波進行風速測量的方法主要有超聲波時差法、多普勒法、相關法、卡門渦街原理、相位差法和超聲波頻率差法。

超聲波時差法是目前應用的最早并且最為廣泛的一種測風方法，因其具有原理簡單，安裝方便等優(yōu)點，適用于大量程大風速的場合。時差法測量的關鍵技術在于準確測量小風速時的時間差值。在風速小于0.2 m/s時，需要測量的時間精度需要達到二十納秒，甚至更小，精確測量低風速時的時差較為困難，并且受環(huán)境溫度影響較大。文中通過互相關法對檢測的數(shù)據(jù)進行處理，有效的提高了測量精度。

1 超聲波風速風向檢測儀的結構和測量原理

超聲波測風采用時差法，其原理是利用超聲波信號順風和逆風傳播的時間差來測量風速和風向。超聲波時差法測風模型如圖1所示。A、B分別為收發(fā)一體式超聲波換能器，超聲波換能器A和B的連線與風向成45度角，設置A與B的垂直距離為L，則A與B的超聲波傳輸距離為。

當風速為VAB，風向由A流向B時，有

式中tAB、tBA分別為超聲波從A點到B點的傳輸時間和從B點到A點的傳輸時間，θ角為45度，由(1)、(2)得，

由(4)可以看出，只要測得超聲波從A到B和從B到A的傳輸時間，就可以計算出風速。當L的取值為0.1 m時，風速達到0.2 m/s，標況下c=340 m/s，計算tAB、tBA分別為415.768 24μs、416.114 25μs，tBA-tAB=346 ns，處理器芯片的主頻達到100MHz，最小檢測分辨率也只有10 ns，誤差比較大;超聲波在空氣中傳播速度受溫度影響，需要對溫度造成的誤差進行修正;同時超聲波換能器在接收超聲波時是逐步起振和余振逐步消失的過程，因此由硬件帶來的誤差對時間差的測量具有較大的影響，采用直接測量時間差的方法會造成測量結果嚴重失真。

本文測量超聲波在空氣中傳播的時間差，采用對時間測量信號進行互相關法進行計算，互相關法的優(yōu)點在于其測量精度高，對環(huán)境噪聲具有很強的免疫性。相關函數(shù)描述了一個信號過去時間和現(xiàn)在時間的相互關系，也可以估計信號的下一個取值，相關函數(shù)能夠描述兩個信號之間的相互關系或者相似性程度。由信號相關性可知，r1(t)和r2(t)的互相關函數(shù)R12(t)為

R12(τ)為信號r1(τ)和r2(τ)的時間差τ的函數(shù)，τ=t1-t2，當時互相關函數(shù)取得最大值時，有t=τ，此時的τ值即為需要測量的時間差。

通過DSP對相關函數(shù)進行計算得到，但是，對大量數(shù)據(jù)逐點計算相關函數(shù)，運算量非常大耗時長，實時性差。在本文中，將時域的相關函數(shù)變換為頻域中進行計算，可以極大提高計算效率，如下式所示，

根據(jù)時域信號的卷積的離散傅里葉變換等于信號傅里葉變換在頻域內(nèi)的乘積，頻域內(nèi)的傅里葉變換計算完成后，通過傅里葉反變換變換為時域的相關計算結果，如下式所示，

在計算結果中選取相關結果最大值對應的時間t，即為我們需要的時間差。

2 超聲波的溫度補償

根據(jù)歐拉方程，聲音在空氣中的傳播速度為：

c=331+0.6T

式中T為環(huán)境的實際溫度，單位為攝氏溫度。電路中對溫度的檢測本文采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，采用數(shù)字式溫度傳感器測量溫度基本準確，能夠滿足測量的精度要求，并且具有接口電路簡單，價格低廉和操作方便等優(yōu)點。

3 低風速復雜風向干擾濾除

在煤礦井下巷道中，因風速風向檢測儀的安裝位置、附近影響風路等因素的存在，當風速減小至低于0.1 m/s時，實際風向呈現(xiàn)出搖擺狀態(tài)，導致風向指示不斷的正反兩個方向跳變，傳感器的輸出信號一直的在跳變，由于低風速時風向的狀態(tài)與風向改變狀態(tài)及相應的風速大小有關，所以本文采用風速矢量統(tǒng)計加權的方法，確定低風速時風向的穩(wěn)定指向。在設定時間內(nèi)T內(nèi)。

采樣N點矢量風速，規(guī)定從A到B為正向矢量風速，則第N點的風速大小為aN，方向為bN，這時間T內(nèi)N點風速的加權值y0為：

4 硬件電路設計

超聲波測風儀系統(tǒng)硬件以TI公司的TMS320VC5509A低成本處理器為核心進行設計，TMS320VC5509A是定點型的高速數(shù)字信號專用處理器，主頻高達200 MHz，主要應用于實時的數(shù)字信號處理場合，是功耗較低的一款DSP芯片型號，具有較好的實時性能。

硬件核心控制系統(tǒng)主要包括DSP芯片的時鐘電路、復位電路以及程序調(diào)試電路等。

超聲波發(fā)送和接收電路為硬件設計的重點，發(fā)射電路完成超聲波以150 Hz的頻率通過超聲波探頭發(fā)送出去，在接收端通過超聲波換能器將接收到的超聲波進行濾波放大后輸出至處理芯片進行處理。發(fā)送電路和接收電路分別如圖2、3所示。

在發(fā)送電路中，采用CD4069反相器啟動，CD4069具有驅(qū)動能力強、電路簡單等優(yōu)點，價格低廉具有較高的性價比;接收電路中，由超聲波換能器接收超聲波信號，接收到的超聲波信號經(jīng)過告訴運算放大器LMH6643構成的濾波和放大電路放大后，輸出至DSP，DSP對超聲波信號進行采集并進行數(shù)字處理。

5 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的程序設計主要包括系統(tǒng)各個模塊初始化設置，超聲波發(fā)送和接收控制，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)字信號處理模塊，顯示模塊和對外通信模塊。系統(tǒng)初始化完成DSP芯片的時鐘配置、ADC、定時器和串口的初始化配置等。數(shù)據(jù)采集利用ADC完成超聲波信號的采，數(shù)字信號處理模塊主要完成對采集到的超聲波信號進行運算得出準確的風速測量值，利用液晶模塊將測量風速和風向值進行顯示，利用串口將測量值進行輸出。軟件流程圖如圖4所示。

6 測試與分析

在測試中，閾值Zz和閾值Zf分別設置為0.1 m/s。采用TES-1340和ST733風速風向儀測量實際的風速，作為標準值，將風速風向檢測儀的測量值與其對比，對同一點風速和風向進行多次測量，測量數(shù)據(jù)平均值如表1所示。

通過表1可以看出，風速在大于0.2 m/s時的基本誤差小于0.2 m/s，風向無誤差;當風速小于0.1 m/s時，檢測儀的輸出風速為0 m/s，符合閾值的設定輸出值。

7 結論

文中對基于DSP的超聲波式風速風向傳感器進行了硬件和軟件的研究與設計，闡述了超聲波測量風速和風向的原理以及軟件和硬件的實現(xiàn)方法，采用TMS320VC5509A作為控制和數(shù)據(jù)處理的核心，極大的提高了數(shù)據(jù)的處理速度。通過反復的實驗驗證，該風速風向檢測儀提高了風速的測量范圍和測量的精度，具有較強的實用性。