基于時差法的超聲波測速向儀設計與實現(xiàn)

王 斌，陳玉林，張 超，張廣斌

（南京航空航天大學，江蘇 南京 211106）

風矢層是最基本的氣象要素之一。也是大氣邊界層最基本的特征量之一。對風速的測量有著重要的實用價值，例如現(xiàn)代艦船及機場、風力發(fā)電站都裝有風速測量裝置。當前所使用的風速儀種類繁多，工作原理和性能也各不相同，其中使用較多的是機械式風速儀，例如常用的風杯式和螺旋槳式風速儀。但由于機械式風速儀的測量部分是旋轉部件，在強風和長期暴露于室外的工作環(huán)境下容易磨損，而且存在“過高效應”[1]，造成測量精度不高，使用條件受到制約。近年來，隨著電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的風速風向測量方式，如激光風速儀、超聲波風速儀、高集成度的MEMS風速儀等等，這些新型風速儀體積較小，無機械部件，壽命長，而且有的精度很高，正在逐步取代傳統(tǒng)機械式風速儀，應用越來越廣泛。

超聲波風速儀是新型風速儀中性能較為突出的一種，精度普遍為0.1m／s，不僅結構簡單、堅固耐用，而且能準確測出自然風中陣風脈動的高頻成分。較之傳統(tǒng)的機械式及基于激光多普勒、空速管、熱線等技術的測量方法，基于時差法的超聲波風速風向測量技術具有無啟動風速、反應速度快、量程廣、盲區(qū)小、線性度好、精度高和無機械磨損、易于安裝維護、不需校正等優(yōu)點[2]。

目前市場上銷售的成熟產(chǎn)品有芬蘭Vaisala公司的WS425和英國的GILL等型號，都包括二維和三維測風向產(chǎn)品，有的還能構建無人值守氣象站。目前國內(nèi)類似產(chǎn)品只有近年的幾例，但性能均有很大缺陷，且價格不菲[3]。中介紹的測速測向儀具有測量精度高（理論值為0.03～0.5），采用單向測量技術，成本低廉，功能拓展方便等優(yōu)點。

1 測速測向儀工作原理

1.1 基本工作原理

超聲波風速測量技術主要的原理是，利用超聲波在順風路徑和逆風路徑上的傳播速度的不同，檢測出兩個路徑的傳播時間或者時間差來獲得風速信息，將反饋信息以LCD顯示和語音播報的形式反饋給外界，并響應輸入信息進行運算。測量的難點在于準確測量超聲波信號的到達時間。此外為了實現(xiàn)瞬時的風速風向采樣，需要系統(tǒng)具有較強的計算和處理能力。采用MSP430單片機，利用豐富的片上資源，在體積、功耗和速度等性能方面具有顯著優(yōu)勢。

1.2 基于時差法的測量原理

根據(jù)超聲波在靜態(tài)空氣中的傳播特性，及對弱超聲波條件下風對聲速的影響做泰勒分析

可知，在聲速近似為340m／s風速小于30m／s的情況下，風對聲速的影響近似成線性關系[4]。因此，超聲波在空氣中傳播固定距離時，順風逆風傳播存在一個時間差，這個時間差與待測風速在低速情況下具有近似線性關系。實際應用中，選用一對超聲波收發(fā)一體換能器，保證距離不變，以固定頻率發(fā)射超聲波，測量兩個相對方向上的超聲波到達時間，由此得到順風或者逆風的傳播速度，經(jīng)過程序換算即可得到風速值。見圖1，用超聲脈沖激勵超聲探頭（換能器S）向外輻射超聲波，同時換能器N接收發(fā)射過來的超聲波脈沖。設空氣中聲速為c，風速為v，一組換能器軸線與風向的夾角為θ，換能器的距離為L。在有風條件下，超聲波在制定矢量路徑上的傳播時間為：

通過檢測或估計從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時間t，利用公式：

在聲速已知的情況下，就能夠測量出風速在傳感器軸向方向的速度分量。測出x，y，z軸的分量再引入根據(jù)MAG3110傳感器獲得的地磁三軸地磁數(shù)據(jù)的出的指南角度即可得到風向信息。

圖1 風速測量原理圖

在超聲的傳播過程中，許多因素會對傳播速度造成影響，壓強、介質密度、風向、溫度等因素都會通過影響速度進而影響距離測量，一般工程上只考慮溫度影響，近似有c＝331.4＋0.607T。由于本儀器對靈敏度要求較高，因此在選擇測量長度L時還應考慮超聲波的強度A與L的關系：A＝A0e-αL，其中α是衰減因子[5]。因此我們把探頭之間的距離設計為40cm左右。

1.3 參數(shù)測量

利用MSP430時鐘頻率可設的特點，采用計量精度為0.125ns的定時器，在理論上講測量精度由普遍的0.1m／s提高到0.03～0.05m／s。為了減少每次測量過程中的誤差，避免測量失真，在一次測量中使換能器發(fā)射八段等時差的脈沖，計算八個脈沖到達時間的平均值。

1.4 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)設計如圖2所示。采用MSP430作為核心處理器。

圖2 系統(tǒng)設計圖

MSP430通過I0接口控制超聲波驅動模塊，進而發(fā)射超聲波，當接收探頭接受到超聲波信號，又會通過超聲波驅動模塊反饋給MSP430，于是得到傳播時間，再加上溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，之后經(jīng)過軟件計算，分別連接LCD顯示和語音芯片，通過兩種方式輸出所得結果[6]。

1.5 系統(tǒng)軟件模塊

系統(tǒng)測量的總流程圖如圖所示。當接收到MSP430開始測量的命令之后，S1發(fā)射信號，S2接收，將獲得的時間數(shù)據(jù)儲存在數(shù)組X（東西方向）。然后由S3發(fā)射，S4接收，將得到數(shù)據(jù)儲存在數(shù)組Y（南北方向）。重復10次，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計算出兩個垂直方向的風速和方向信息。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容包括對10個數(shù)據(jù)進行排序，去掉最大和最小的4個數(shù)據(jù)。對中間的6個數(shù)據(jù)進行平均。最后的數(shù)據(jù)經(jīng)過補償和計算從而得到風速。正交方向上的風速經(jīng)過三角計算，引入根據(jù)MAG3110傳感器獲得的地磁三軸地磁數(shù)據(jù)的出的指南角度，合成水平面上的風速和風向。

2 系統(tǒng)硬件結構

2.1 單片機模塊

MSP430系列單片機，見圖3，是美國德州儀器（T1）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用多個不同功電路、數(shù)字電微處理器集芯片上，以提需求，將能的模擬路模塊和成在一個供“單片機”解決方案。該系列單片機具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境等諸多優(yōu)點。

圖3 MSP430單片機

2.2 超聲波驅動模塊

超聲波驅動模塊采用I0TRIG觸發(fā)，給予至少10us的高電平信號；模塊自動發(fā)送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回[7]。超聲波時序圖如圖4所示。

圖4 超聲波時序圖

超聲波驅動模塊如圖5所示：

圖5 超聲波驅動模塊

2.3 DS18B20溫度傳感模塊

由于超聲波的傳播速度跟溫度有關，所以系統(tǒng)需要添加溫度傳感模塊，并利用溫度數(shù)據(jù)對所得結果進行修正。溫度傳感模塊采用DSl8B20溫度傳感器，通過I0口連接MSP430。電路原理圖如圖6所示。

圖6 電路原理圖

2.4 LCD液晶顯示屏模塊

系統(tǒng)的輸出結果通過LCDl2864顯示屏顯示。帶中文字庫的128×64是一種具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個16.16點漢字和128個16×8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。LCD12864具有20個管腳，其與MSP430連接的電路原理圖如圖7所示。

圖7 LCD12864與MSP430連接的電路原理圖

2.5 電源穩(wěn)壓及電壓轉換模塊

為了給MSP430芯片以及其他用電設備提供一個穩(wěn)定的直流電壓，需要電源穩(wěn)壓模塊。但由于普通芯片或者外圍設備的工作電壓為5V，而MSP430所需的電壓為3.3V，所以系統(tǒng)需要單獨為MSP430芯片添加電壓轉換模塊。具體的電路原理圖如圖8所示。

圖8 電壓轉換模塊的電路原理圖

圖9 ISD1730電路原理圖

2.6 ISD語音播報模塊

ISD1730是ISD公司最新推出的單片高音質語音錄放電路，該芯片提供多項創(chuàng)新功能，包括多信息管理系統(tǒng)，新信息提示，雙運作模式，以及可定制的信息操作指示音效。芯片內(nèi)部包含有自動增益控制、麥克風前置擴大器、揚聲器驅動線路、振蕩器與內(nèi)存等全方位整合系統(tǒng)功能[8]。具體的電路原理圖如圖9所示。

2.7 MAG3110傳感器

MAG3110是由飛思卡爾半導體推出的首款磁力計，最新開發(fā)的感應器裝置，專門用于輔助GPS定位、慣性導航、加強電子羅盤等精準度的芯片產(chǎn)品。MAG3110是一個緊湊型的三軸加速度感應器芯片，采用了小尺寸、低功耗設計，支持兩種接口類型接入目標板：排針或排座，并支持I2C總線級聯(lián)。

3 實測數(shù)據(jù)分析和參數(shù)修正

3.1 儀器測量誤差的來源

本儀器采用時差法測量風速矢量信息，對測量原理進行分析可知，風速信息與溫度、L、t1、t2均有關。經(jīng)過實際驗證與查閱資料，采用單向時差法進行測量，測量誤差主要來自：

（1）周圍環(huán)境噪聲和超聲干擾，主要是反射造成的回波的影響；

（2）換能器安裝位置誤差，會直接影響到L的測量精度；

（3）陣型設計和換能器外形對風場的影響；

（4）超聲信號在空氣中的傳播衰減，及溫度變化，會影響到超聲波傳播時間的測量；

（5）換能器匹配和電路引入的傳播時間測量誤差；

（6）信號處理算法對傳播時間測量精度的影響。

在本儀器的數(shù)據(jù)采集過程中發(fā)現(xiàn)，由于采用的硬件配置較低，1）、2）、3）為最大的誤差來源，在3種誤差同時作用下，綜合誤差最高達到（＋-）0.5m／s。因此，為控制誤差，儀器應該在避免充滿障礙物和超聲信息的大尺度風場環(huán)境下工作，并采用剛性材料固定探頭。

圖10 實驗裝置

3.2 測試方案及參考分析

為測試儀器性能，對測量數(shù)據(jù)進行修正從而提高測量精度，采用了相對運動的辦法獲得穩(wěn)定風場分別在低速（0～5m／s），中速（5～20m／s）進行測量分析。其中在低速段，在封閉室內(nèi)，采用導軌上小車載運探頭進行不同速度的勻速直線運動；在中速段采用汽車車頂載運以不同速度運行驗證，見圖10。因為儀器探頭為手工制作，所以不能承受較大風力，同時高速恒流風場很難獲得，所以沒有進行測量。

對測量數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件進行處理可得：

圖11 0～5 m范圍測試結果

由圖11可知，當定義初始風速為V0＝-1.014 5m／s時，測量結果與參照風速近似成線性關系，平均誤差0.040 9m／s。

由圖12可知，當定義初始風速為V0＝-2.491 9m／s時，測量結果與參照風速仍可近似成線性關系，但平均誤差較大達到1.745 5m／s。經(jīng)分析，除了3.1中的因素外，天氣原因（陰，18℃，有間斷微風）也加大了誤差。

4 應用前景及改進方案

4.1 同類儀器性能對比及應用分析

將同類儀器性能對比，見表1。

表1 儀器性能對比

基于時差法的超聲波測速測適于能夠測定大尺度稀薄流體矢量信息。相對于傳統(tǒng)的測量方式，具有如下優(yōu)點：

（1）采用單向時差，在測量流體強度信息的同時可以測量其方向信息；

（2）測量部位不需要進行機械運動，無磨損，可靠性好；

（3）可以測量大尺度范圍的流體矢量信息，測量數(shù)據(jù)價值性高；（4）能耗低，具有工作／待機兩種工作模式；（5）測量范圍寬，不需要啟動風速測量結果經(jīng)計算；

（6）處理可輸出瞬時風速風向值、平均風速風向值。

且由于其功率小，可采用太陽能供電，可廣泛地應用于海航、氣象、民航、公路、建筑、能源等行業(yè)。以能源行業(yè)為例，可以在大型風力發(fā)電機槳軸尾部裝配超聲波測速測向儀，根據(jù)測得的風向風速信息驅動風力發(fā)電機調整槳面至最佳方向，提高風能利用效率。

4.2 不足和改進方案

雖然超聲波測速測向儀相比于傳統(tǒng)的測量方式具有很多優(yōu)點，但是也存在著對測量環(huán)境、器型設計、加工要求高等缺點。例如，一般的3D聲學風速表在雨天條件下使用時，如果傳感器上有水時就會改變其聲波傳播路徑長度而使得測量值變得不可靠。其次，分析超聲波的傳輸特性和大氣中的雜質、大氣環(huán)境對風速風向測量的影響對超聲測風儀推廣使用和設計也是極其重要的[9－10]。

因此對本儀器的改進應著重在以下幾點：使用高性能的探頭，提高傳感器的工藝水平，減少器件結構和探頭帶來的誤差；加入溫度自控制模塊和無線反饋模塊，提高對抗惡劣環(huán)境的能力；優(yōu)化電路結構和算法，提高儀器穩(wěn)定性。

5 結 論

綜上所述，超聲波風速儀是未來風速測量儀器的一個重要發(fā)展方向。目前國外市場基本上已經(jīng)淘汰了機械式風速測量設備，取而代之的是基于超聲波的風速儀。超聲波風速儀與傳統(tǒng)的測風儀相比穩(wěn)定性、壽命、精度提高很多，不受自然條件限制。而且可進行多點風速風向測量，微控自動測量，增大了測量范圍，同時減少了設備能耗，更重要的是能在無人管理下長期工作。因此被認為是理想測量工具。文章中所介紹的基于MSP430超聲波測風速儀具有反應速度快、量程廣、盲區(qū)小、線性度好、精度高和易于安裝維護、不需校正等優(yōu)點，能夠滿足大學物理實驗教學演示及一般精度的風況信息測量。

[1]彭艷，張宏升，許飛，等.風杯風速計測風誤差的分析研究與訂正方法[J].氣象水溫海洋儀器，2003（2）：1－11.

[2]Aprilesigc，Deciccog，Taronia.A Microprocessor Based，Threeaxes，Ultrasonic Anemometer[C].Ultrasonics Symposium，1983：295－298.

[3]曹可勁，崔國恒，羅斌鳳，等.超聲波數(shù)字風速風向儀[P].中國：2007200878543，2007.

[4]金晶，唐慧強.基于 ARM 的超聲波風速測量系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2009（6）：101－106.

[5]曹可勁，崔國恒，朱銀兵.超聲波風速儀理論建模與分析[J].聲學與電子工程，2010（1）：37－40.

[6]程剛，林向真.超聲波風速儀[J].應用聲學，1982，1（2）：28－30.

[7]HY－SRF05超聲波模塊手冊[Z]，2012.

[8]ISD1730使用指南手冊[Z]，2012.

[9]鄧昌建，張江林，王保強.超聲波測風儀設計中幾個問題的探討[J].成都信息工程學院學報，2007，10.

[10]汪浩，張驍勇.利用地鐵隧道風能發(fā)電的設計與研究[J].大學物理實驗，2012（4）：9－13.