基于DSP的超聲波式風(fēng)速風(fēng)向檢測儀的設計

隨著(zhù)超聲波技術(shù)的發(fā)展，超聲波在風(fēng)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(jìn)行風(fēng)速測量的方法主要有超聲波時(shí)差法、多普勒法、相關(guān)法、卡門(mén)渦街原理、相位差法和超聲波頻率差法。

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

1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測儀的結構和測量原理

超聲波測風(fēng)采用時(shí)差法，其原理是利用超聲波信號順風(fēng)和逆風(fēng)傳播的時(shí)間差來(lái)測量風(fēng)速和風(fēng)向。超聲波時(shí)差法測風(fēng)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(xiàn)與風(fēng)向成45度角，設置A與B的垂直距離為L(cháng)，則A與B的超聲波傳輸距離為。

當風(fēng)速為VAB，風(fēng)向由A流向B時(shí)，有

式中tAB、tBA分別為超聲波從A點(diǎn)到B點(diǎn)的傳輸時(shí)間和從B點(diǎn)到A點(diǎn)的傳輸時(shí)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(shí)間，就可以計算出風(fēng)速。當L的取值為0.1 m時(shí)，風(fēng)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(jìn)行修正;同時(shí)超聲波換能器在接收超聲波時(shí)是逐步起振和余振逐步消失的過(guò)程，因此由硬件帶來(lái)的誤差對時(shí)間差的測量具有較大的影響，采用直接測量時(shí)間差的方法會(huì )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(shí)間差，采用對時(shí)間測量信號進(jìn)行互相關(guān)法進(jìn)行計算，互相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)在于其測量精度高，對環(huán)境噪聲具有很強的免疫性。相關(guān)函數描述了一個(gè)信號過(guò)去時(shí)間和現在時(shí)間的相互關(guān)系，也可以估計信號的下一個(gè)取值，相關(guān)函數能夠描述兩個(gè)信號之間的相互關(guān)系或者相似性程度。由信號相關(guān)性可知，r1(t)和r2(t)的互相關(guān)函數R12(t)為

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

通過(guò)DSP對相關(guān)函數進(jìn)行計算得到，但是，對大量數據逐點(diǎn)計算相關(guān)函數，運算量非常大耗時(shí)長(cháng)，實(shí)時(shí)性差。在本文中，將時(shí)域的相關(guān)函數變換為頻域中進(jìn)行計算，可以極大提高計算效率，如下式所示，

根據時(shí)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的乘積，頻域內的傅里葉變換計算完成后，通過(guò)傅里葉反變換變換為時(shí)域的相關(guān)計算結果，如下式所示，

在計算結果中選取相關(guān)結果最大值對應的時(shí)間t，即為我們需要的時(shí)間差。

2 超聲波的溫度補償

根據歐拉方程，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(shí)際溫度，單位為攝氏溫度。電路中對溫度的檢測本文采用DS18B20數字式溫度傳感器，采用數字式溫度傳感器測量溫度基本準確，能夠滿(mǎn)足測量的精度要求，并且具有接口電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

3 低風(fēng)速復雜風(fēng)向干擾濾除

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

采樣N點(diǎn)矢量風(fēng)速，規定從A到B為正向矢量風(fēng)速，則第N點(diǎn)的風(fēng)速大小為aN，方向為bN，這時(shí)間T內N點(diǎn)風(fēng)速的加權值y0為：

4 硬件電路設計

超聲波測風(fēng)儀系統硬件以TI公司的TMS320VC5509A低成本處理器為核心進(jìn)行設計，TMS320VC5509A是定點(diǎn)型的高速數字信號專(zhuān)用處理器，主頻高達200 MHz，主要應用于實(shí)時(shí)的數字信號處理場(chǎng)合，是功耗較低的一款DSP芯片型號，具有較好的實(shí)時(shí)性能。

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

超聲波發(fā)送和接收電路為硬件設計的重點(diǎn)，發(fā)射電路完成超聲波以150 Hz的頻率通過(guò)超聲波探頭發(fā)送出去，在接收端通過(guò)超聲波換能器將接收到的超聲波進(jìn)行濾波放大后輸出至處理芯片進(jìn)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(dòng)，CD4069具有驅動(dòng)能力強、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格低廉具有較高的性?xún)r(jià)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(guò)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(jìn)行采集并進(jìn)行數字處理。

5 系統軟件設計

系統的程序設計主要包括系統各個(gè)模塊初始化設置，超聲波發(fā)送和接收控制，數據采集模塊，數字信號處理模塊，顯示模塊和對外通信模塊。系統初始化完成DSP芯片的時(shí)鐘配置、ADC、定時(shí)器和串口的初始化配置等。數據采集利用ADC完成超聲波信號的采，數字信號處理模塊主要完成對采集到的超聲波信號進(jìn)行運算得出準確的風(fēng)速測量值，利用液晶模塊將測量風(fēng)速和風(fēng)向值進(jìn)行顯示，利用串口將測量值進(jìn)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(fēng)速風(fēng)向儀測量實(shí)際的風(fēng)速，作為標準值，將風(fēng)速風(fēng)向檢測儀的測量值與其對比，對同一點(diǎn)風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行多次測量，測量數據平均值如表1所示。

通過(guò)表1可以看出，風(fēng)速在大于0.2 m/s時(shí)的基本誤差小于0.2 m/s，風(fēng)向無(wú)誤差;當風(fēng)速小于0.1 m/s時(shí)，檢測儀的輸出風(fēng)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(fēng)速風(fēng)向傳感器進(jìn)行了硬件和軟件的研究與設計，闡述了超聲波測量風(fēng)速和風(fēng)向的原理以及軟件和硬件的實(shí)現方法，采用TMS320VC5509A作為控制和數據處理的核心，極大的提高了數據的處理速度。通過(guò)反復的實(shí)驗驗證，該風(fēng)速風(fēng)向檢測儀提高了風(fēng)速的測量范圍和測量的精度，具有較強的實(shí)用性。