基于ARM和CPLD的無線風速儀設計*

陸 健,張自嘉,2*

(1.南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044;2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)

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基于ARM和CPLD的無線風速儀設計*

陸 健1,張自嘉1,2*

(1.南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044;2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)

分析了在平面三角形陣列中利用超聲波時差法測量風速風向的基本原理,設計了基于ARM和CPLD微處理器的無線風速儀。給出了以LPC1768和EPM240T100C5芯片為核心的超聲波無線風速儀的設計實現(xiàn)方法。重點闡述了超聲波驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、無線收發(fā)模塊以及系統(tǒng)軟件的設計。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以精確測量風速與風向,且工作可靠穩(wěn)定。

超聲波測風;時差法;ZigBee;LPC1768;EPM240T100C5

風速儀在氣象、民航、公路、橋梁、農(nóng)業(yè)和新能源領域都發(fā)揮著重要的作用。超聲波式風速儀正逐漸取代傳統(tǒng)機械式風速儀成為風速儀發(fā)展的主流。目前,超聲波式風速儀結(jié)構(gòu)上多采用將兩對收發(fā)一體的超聲波換能器正交放置在同一水平面上構(gòu)成測量陣列,當風沿換能器構(gòu)成的正交方向上傳播時,會引起湍流導致錯誤測量。采用有線方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘L速儀,其布線復雜、抗干擾性差及維護困難。同時現(xiàn)有的超聲波風速儀電路結(jié)構(gòu)較復雜、功耗較大且成本高。在分析了現(xiàn)有超聲波風速儀缺點的基礎上,本文提出并設計了一種基于ARM和CPLD的高精度、低成本的無線風速儀。

1 超聲波風速儀測量原理

超聲波測風技術(shù)是利用超聲波信號在空氣中傳播時承載空氣流動的信息來實現(xiàn)對風速風向測量。目前,超聲波測量風速的方法大致可以分為時差法、頻率差法、多普勒法、相關(guān)法等[1]。與其他方法相比,時差法測量原理簡單,測量精度高,性能穩(wěn)定,受外界環(huán)境因素影響小且電路易實現(xiàn)。目前超聲波風速儀大多采用時差法實現(xiàn)對風速風向的測量。時差法測量風速風向原理如圖1所示,兩超聲波換能器之間的距離固定,超聲波在空氣中傳播時,由于受順向和逆向影響,存在一定的時間差,通過獲得該時間差就可以確定所測風的風速和風向值[2]。

圖1 時差法測量風速風向原理

設空氣中的聲速為C,風速為VS,兩超聲波換能器之間的距離為L。超聲波在順向和逆向情況下的傳播的時間分別為t1和t2:

(1)

由式(1)可得:

(2)

根據(jù)式(2)可知,只需測得超聲波在固定距離上順向和逆向所傳播的時間,就可以獲得所測風的風速值。同時時差法測風可以消除溫度等環(huán)境因素引起的聲速變化而導致的測量錯誤。

2 系統(tǒng)總體設計

基于ARM和CPLD的無線風速儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要包括以下模塊:ARM主控制器模塊、CPLD協(xié)處理器模塊、超聲波驅(qū)動電路模塊、信號接收處理模塊、ZigBee通信模塊、上位機單元、存儲模塊以及超聲波換能器陣列單元。

圖2 風速儀硬件原理框圖

為了保證和提高整個系統(tǒng)測量的精確性,選用Altera公司的CPLD芯片EPM240T100C5作為系統(tǒng)的協(xié)處理器,EPM240T100C5是Altera公司一款革命性的CPLD產(chǎn)品,性能穩(wěn)定、低功耗、性價比高。系統(tǒng)通過CPLD處理器來實現(xiàn)對超聲波渡越時間精確計時,同時CPLD處理器也接收主控制器ARM的信號,來驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射超聲波信號,并對接收的超聲波回波信號進行處理,CPLD最終將測得的數(shù)據(jù)送給主控制器ARM進行處理。系統(tǒng)選用NXP公司的32位微控制器LPC1768芯片作為系統(tǒng)的控制和運算核心,該芯片屬于Cortex-M3系列具有強大的數(shù)據(jù)計算處理能力、低功耗且對外設支持能力強大。主控制器LPC1768主要完成向CPLD發(fā)送控制命令,處理計算CPLD獲得的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)送至上位機。無線收發(fā)模塊基于ZigBee技術(shù)[3],采用TI公司的ZigBee芯片CC2530,CC2530具有較高靈敏度、抗干擾能力強,在不加功率放大情況下,室外傳輸距離可達400 m,通過增加功率放大器可實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。通過上位機軟件發(fā)控制命令給協(xié)調(diào)器,與傳感器節(jié)點建立連接,CC2530節(jié)點模塊從ARM主控制器中獲得風速風向數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器,并通過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)送至上位機顯示保存[4]。

2.1 超聲波換能器系統(tǒng)設計

系統(tǒng)采用3個收發(fā)一體的超聲波換能器構(gòu)成平面三角陣列來實現(xiàn)對二維平面上風速風向的測量。超聲波換能器陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示,超聲波探頭之間保持60度的偏離角,構(gòu)成等邊三角形陣列,形成3個矢量測量基準。根據(jù)換能器陣列結(jié)構(gòu)的設計,選用的超聲波換能器應具有高的靈敏度,并具有一定的開角,本設計中采用型號為DYA-125-02A收發(fā)一體式的超聲波換能器,其工作中心頻率為125 kHz,工作電壓為120 V,半功率角為13°,銳度角為35°。陣列中各超聲波探頭之間距離保持25 cm。超聲波換能器按次序發(fā)射一定頻率的超聲波信號并測量其順向和逆向傳播的時間,通過計算可以得到所測風的風速和風向值。該結(jié)構(gòu)可以消除當風向與超聲波收發(fā)方向路徑一致時引起的湍流,提高測量精確度,同時該結(jié)構(gòu)電路實現(xiàn)更加簡單,裝置主體更趨向于小型化。

圖3 超聲波換能器陣列結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示的超聲波換能器陣列,當風向與任意兩換能器連線方向一致時,會引起湍流,此時可采用其他2種測量基準,保證測量結(jié)果的準確性。假設如圖3所示,風速為V,其在AB和BC路徑上的風速分量為V1和V2,風與BC方向上的夾角為a度,測得A、B組超聲波換能器輪流發(fā)送超聲波信號時順向和逆向時間為t1和t2,測得B、C組超聲波換能器順向和逆向時間為t3和t4,風速測量原理如圖4所示。

圖4 風速系統(tǒng)測量原理

風速儀在室外安裝時,使超聲波換能器A指向正北方向。根據(jù)式(2)可以得到風在AB、BC方向上的風速風量V1和V2,根據(jù)矢量合成原理,可以得到風速值和風向值:

(3)

(4)

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 超聲波驅(qū)動電路模塊設計

系統(tǒng)中ARM處理器主要用于發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)運算及與CC2530模塊通信將數(shù)據(jù)送出[5]。CPLD處理器接收ARM控制命令執(zhí)行超聲波信號發(fā)送、接收及渡越時間測量。圖5為超聲波驅(qū)動單元電路原理圖。

圖5 超聲波驅(qū)動單元電路原理圖

圖7 超聲波信號調(diào)理電路

設計中采用單端正激式脈沖變壓器P3構(gòu)成升壓電路來驅(qū)動超聲波換能器發(fā)送超聲波信號,確保在變壓器原邊的開關(guān)三極管導通時,變壓器副邊同時對負載供電,同時為了防止在開關(guān)三極管斷開時,處于“空載”狀態(tài)的變壓器其中存儲的磁能使電感器飽和而燒毀開關(guān)器件,設計中通過二極管1N4148,D3和電阻構(gòu)成磁通復位電路來釋放多余的磁能。本設計中脈沖變壓器的匝數(shù)比為1/15,可將原邊的低壓方波脈沖升至120 V左右,從而驅(qū)動超聲波換能器發(fā)出超聲波信號。實際測試中,CPLD從Q3端至少需要產(chǎn)生15個頻率為125 kHz的方波脈沖信號才可驅(qū)動超聲波換能器發(fā)出超聲波信號。為了保護Y1后續(xù)信號調(diào)理電路,采用兩個1N4148構(gòu)成鉗位保護電路,防止脈沖高壓驅(qū)動超聲波換能器時損壞后續(xù)電路。圖6為超聲波換能器接收端實測波形示波器圖像,回波波形與理論接收信號一致,信號干擾較小,便于信號調(diào)理電路進行后續(xù)處理。

圖6 超聲波接收信號

2.2.2 超聲波信號調(diào)理電路設計

時差法測量回波渡越時間的方法主要有包絡檢波法、閾值比較法和波形匹配法[6]。采用閾值比較法的電路實現(xiàn)比較簡單,但受風速等環(huán)境因素影響,超聲波在傳播過程中其幅值會發(fā)生變化,導致測量精度降低。波形匹配法需預先采集大量標準波,將接收端信號與標準波進行比對,實現(xiàn)電路復雜,且標準波采樣難度大。本設計中采用包絡檢波法來實現(xiàn)對回波渡越時間的測量,傳播過程中信號幅值會發(fā)生變化,但接收端回波具有很好的一致性,其首波點與回波包絡峰值的之間周期數(shù)是確定的,通過測定回波信號包絡峰值點到達時的時間,就可以得到超聲波的渡越時間。超聲波信號調(diào)理電路如圖7所示。

設計中采用一片MAX4052多路復用器來簡化整個超聲波信號調(diào)理電路設計的復雜度,降低PCB制板難度,消除了單獨采用多路信號調(diào)理電路時所帶來的電磁干擾,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度。超聲波換能器接收端回波信號電壓等級一般在毫伏級,為了滿足后續(xù)電路輸入要求,需要對回波信號進行放大并提高信號信噪比,放大電路設計應盡可能選用低噪聲運放,減少放大器級數(shù),前級的增益帶寬應盡量的大。因此,系統(tǒng)使用兩片MC1458構(gòu)成放大電路實現(xiàn)兩級放大,該放大電路對接收端回波信號放大倍數(shù)在2 000倍左右,放大后輸出電壓能滿足后續(xù)電路的輸入要求。信號經(jīng)放大處理送入包絡檢波電路,獲得平滑的包絡信號,將環(huán)境因素對回波信號幅值的影響降到最低,提高測量精度。設計中采用超高速高精度TLV3502芯片構(gòu)成電壓比較電路,比較器電路的基準電壓為2.2 V,包絡信號經(jīng)比較器電路獲得數(shù)字方波信號,在方波信號下降沿觸發(fā)CPLD獲得渡越時間。

2.2.3 計時單元及CC2530模塊

超聲波渡越時間的測量直接影響風速儀測量結(jié)果的精度,因此系統(tǒng)必須具有高精度的計時單元和高速處理的速度。利用CPLD的可并行執(zhí)行的特性[7-8],可使CPLD在驅(qū)動超聲波傳感器同時啟動內(nèi)部計時單元,與其他處理器僅能按順序流程執(zhí)行相比,消除了代碼運行所導致的計時誤差。同時并發(fā)執(zhí)行可提高信號處理速度滿足實時性要求。本設計中CPLD控制器外接100 MHz晶振,其內(nèi)部計時單元的分辨率達到10 ns,使系統(tǒng)測量的結(jié)果更加精確。

無線收發(fā)單元采用TI公司以C51為內(nèi)核的ZigBee芯片CC2530,其具有兩個支持多種串行通信協(xié)議的USART,可與主控制器采用串口通信,同時CC2530具有多種不同的運行模式,可在不同運行模式之間切換來進一步確保整個系統(tǒng)的低能源消耗。本設計中LPC1768與CC2530采用串口通信,其連接電路如圖8所示。LPC1768的串行數(shù)據(jù)輸入端RXD0與CC2530的串行數(shù)據(jù)輸出端P0_3相連,CC2530的串行數(shù)據(jù)輸入端P0_2與LPC1768的數(shù)據(jù)輸出端TXD0相連。該處CC2530的設備類型設置為傳感器節(jié)點,而上位機部分的CC2530設備類型設置為協(xié)調(diào)器,實現(xiàn)無線接收各測量節(jié)點的數(shù)據(jù),并送至上位機處理。

圖8 CC2530與LPC1768連接原理圖

2.3 系統(tǒng)軟件設計

風速儀的軟件設計主要包括LPC1768、EPM240T100C5以及CC2530收發(fā)部分軟件設計。LPC1768的軟件設計主要包括初始化程序、測量控制子程序、ARM與CPLD數(shù)據(jù)傳輸子程序、SD存儲子程序、串口通信子程序這5部分。EPM240T100C5的軟件設計主要包括:初始化程序、計時子程序、超聲波發(fā)送子程序、CPLD與ARM數(shù)據(jù)傳輸子程序。LPC1768編程調(diào)試環(huán)境為MDK-ARM,采用C語言開發(fā),EPM240T100C5編程調(diào)試環(huán)境為Quartus Ⅱ 8.1,采用Verilog語言開發(fā),調(diào)試過程采用Modelsim進行仿真。圖9所示為風速儀測量一路數(shù)據(jù)時程序流程圖。

3 測量結(jié)果及分析

本文所設計的基于ARM和CPLD的無線風速儀的上位機軟件部分采用Visual Studio 2010開發(fā)。上位機軟件通過串口發(fā)送命令至協(xié)調(diào)器,由協(xié)調(diào)器將選中的風速儀節(jié)點加入網(wǎng)絡并接收節(jié)點數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)送至上位機顯示保存。測試過程中,風速儀與我校氣象站風杯式風速儀放置于同一地點測量,并設定以10 min為時間間隔連續(xù)工作12 h進行測量,上位機采集數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖11 數(shù)據(jù)對比結(jié)果圖

圖9 超聲波測量程序流程圖

圖10 上位機采集數(shù)據(jù)

為了檢驗系統(tǒng)測量的準確性,測量結(jié)果與同一地點的風杯式風速儀測量結(jié)果進行對比如圖11所示。

與傳統(tǒng)風杯式風速儀測量結(jié)果對比,系統(tǒng)測量具有一定誤差,根據(jù)測量的原理和系統(tǒng)硬件設計,分析了其測量誤差的主要來源。首先是超聲波換能器陣列中每兩組換能器之間的距離誤差Δd引起的誤差,3個超聲波換能器均固定于各支架的頂端,支架的形變以及安裝時各換能器之間的距離誤差都會引起d的誤差。本設計中每兩個換能器之間距離d為25 cm,若Δd為5 mm則風速值的相對誤差將達到2%,因此對于d的校準必須精確。其次是渡越時間誤差Δt,超聲波換能器在發(fā)送和接收超聲波脈沖信號時存在延時效應,同時超聲波驅(qū)動電路和信號調(diào)理電路也存在電路的延遲均會引起渡越時間t的誤差。而通過相應的電路軟件仿真和超聲波換能器數(shù)據(jù)手冊可獲得電路的延遲時間和換能器延時時間,通過軟件補償可消除渡越時間誤差?？梢娪上到y(tǒng)各部分引起的測量誤差,均屬可控誤差,滿足系統(tǒng)測量要求,系統(tǒng)各單元設計安排具有合理性。

但從數(shù)據(jù)對比結(jié)果來看,系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)還是比較準確,系統(tǒng)基本能夠滿足設計要求實現(xiàn)對風的測量,且在長時間工作狀態(tài)下,性能穩(wěn)定可靠?？赡苡捎诃h(huán)境等因素影響導致無線收發(fā)模塊出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。但從總體測量結(jié)果上可以看到系統(tǒng)在可靠性和測量精度上均能達到較高的水平。

4 結(jié)論

本文基于時差法設計實現(xiàn)了一種基于ARM和CPLD的無線風速儀。闡述了系統(tǒng)工作的基本原理和硬件設計結(jié)構(gòu),重點介紹了系統(tǒng)部分硬件電路設計和系統(tǒng)軟件設計,系統(tǒng)設計中充分考慮了成本和低功耗問題。測量結(jié)果表明:本測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對風的準確測量,并能夠穩(wěn)定地將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至上位機處理,軟硬件設計合理,設計成本低,解決了現(xiàn)有風速儀所面臨的問題,具有一定的實際工程應用價值。

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陸健(1989-),男,漢,江蘇淮安人,南京信息工程大學信息與控制學院在讀碩士研究生,主要研究方向為超聲波檢測、嵌入式儀器儀表,lujian.nuist@hotmail.com;

張自嘉(1964-),男,南京信息工程大學信息與控制學院教授,碩士生導師,研究方向包括傳感與測量系統(tǒng)、智能儀器儀表、新型氣象觀測方法與儀器,zhzijia@126.com。

DesignofWirelessUltrasonicAnemometerBasedonARMandCPLD*

LUJian1,ZHANGZijia1,2*

(1.Institute of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

The principle of measurement of wind speed and direction using ultrasonic Time-of-Flight was introduced in the triangle array. The design of ultrasonic anemometer based on ARM and CPLD was described. The method of ultrasonic anemometer based on LPC1768 and EPM240T100C5 was given. The driving circuit,signal conditioning circuit,wireless transceiver module and the software design were introduced. The experiments testify the system can accurately measure wind speed and direction. It also has other advantages such as good reliability.

ultrasonic wind measurement;Time-of-Flight;ZigBee;LPC1768;EPM240T100C5

項目來源:國家自然科學基金項目(61172029)

2013-12-12修改日期:2014-02-13

TH815

:A

:1005-9490(2014)06-1130-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.025