基于DSP的超聲波式風(fēng)速風(fēng)向檢測儀的設(shè)計

隨著超聲波技術(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，采用超聲波進行風(fēng)速測量的方法主要有超聲波時差法、多普勒法、相關(guān)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(yīng)用的最早并且最為廣泛的一種測風(fēng)方法，因其具有原理簡單，安裝方便等優(yōu)點，適用于大量程大風(fēng)速的場合。時差法測量的關(guān)鍵技術(shù)在于準(zhǔn)確測量小風(fēng)速時的時間差值。在風(fēng)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(fēng)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(guān)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(fēng)速風(fēng)向檢測儀的結(jié)構(gòu)和測量原理

超聲波測風(fēng)采用時差法，其原理是利用超聲波信號順風(fēng)和逆風(fēng)傳播的時間差來測量風(fēng)速和風(fēng)向。超聲波時差法測風(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的連線與風(fēng)向成45度角，設(shè)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(dāng)風(fēng)速為VAB，風(fēng)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(fēng)速。當(dāng)L的取值為0.1 m時，風(fēng)速達到0.2 m/s，標(biāo)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(jié)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(guān)法進行計算，互相關(guān)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(guān)函數(shù)描述了一個信號過去時間和現(xiàn)在時間的相互關(guān)系，也可以估計信號的下一個取值，相關(guān)函數(shù)能夠描述兩個信號之間的相互關(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(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(dāng)時互相關(guān)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(guān)函數(shù)進行計算得到，但是，對大量數(shù)據(jù)逐點計算相關(guān)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(guān)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(guān)計算結(jié)果，如下式所示，

在計算結(jié)果中選取相關(guān)結(jié)果最大值對應(yīng)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(zhǔn)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(fēng)速復(fù)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(dāng)風(fēng)速減小至低于0.1 m/s時，實際風(fēng)向呈現(xiàn)出搖擺狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)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(fēng)速時風(fēng)向的狀態(tài)與風(fēng)向改變狀態(tài)及相應(yīng)的風(fēng)速大小有關(guān)，所以本文采用風(fēng)速矢量統(tǒng)計加權(quán)的方法，確定低風(fēng)速時風(fēng)向的穩(wěn)定指向。在設(shè)定時間內(nèi)T內(nèi)。

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

4 硬件電路設(shè)計

超聲波測風(fēng)儀系統(tǒng)硬件以TI公司的TMS320VC5509A低成本處理器為核心進行設(shè)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(yīng)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(fù)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(shè)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(gòu)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(shè)計

系統(tǒng)的程序設(shè)計主要包括系統(tǒng)各個模塊初始化設(shè)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(zhǔn)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(shè)置為0.1 m/s。采用TES-1340和ST733風(fēng)速風(fēng)向儀測量實際的風(fēng)速，作為標(biāo)準(zhǔn)值，將風(fēng)速風(fēng)向檢測儀的測量值與其對比，對同一點風(fēng)速和風(fēng)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(fēng)速在大于0.2 m/s時的基本誤差小于0.2 m/s，風(fēng)向無誤差;當(dāng)風(fēng)速小于0.1 m/s時，檢測儀的輸出風(fēng)速為0 m/s，符合閾值的設(shè)定輸出值。

7 結(jié)論

文中對基于DSP的超聲波式風(fēng)速風(fēng)向傳感器進行了硬件和軟件的研究與設(shè)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(fù)的實驗驗證，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，具有較強的實用性。