基于DSP的超聲波式風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

劉潤(rùn)博，李玉軍，何曉亮，王建宇

（煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 大連分院，遼寧 大連 116013）

隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，超聲波在風(fēng)速測(cè)量、流體的流速和流量的測(cè)量中起到了重要作用。目前，采用超聲波進(jìn)行風(fēng)速測(cè)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[1－2]、相位差法和超聲波頻率差法[3]。

超聲波時(shí)差法是目前應(yīng)用的最早并且最為廣泛的一種測(cè)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[4－5]。時(shí)差法測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)在于準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量的時(shí)間精度需要達(dá)到二十納秒，甚至更小，精確測(cè)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[6]。文中通過(guò)互相關(guān)法對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有效的提高了測(cè)量精度。

1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理

超聲波測(cè)風(fēng)采用時(shí)差法，其原理是利用超聲波信號(hào)順風(fēng)和逆風(fēng)傳播的時(shí)間差來(lái)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。超聲波時(shí)差法測(cè)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(shè)置A與B的垂直距離為L(zhǎng)，則A與B的超聲波傳輸距離為

圖1 超聲波測(cè)風(fēng)模型Fig.1 Ultrasonic wind measurement model

當(dāng)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（1）、（2）可以得到，

當(dāng)tAB?tBA時(shí)，風(fēng)向由A流向B，風(fēng)速為

當(dāng)tAB?tBA時(shí)，風(fēng)向由B流向A，風(fēng)速為

當(dāng)tAB=tBA時(shí)，風(fēng)速為0，因此風(fēng)速表達(dá)式可以寫(xiě)為

由（4）可以看出，只要測(cè)得超聲波從A到B和從B到A的傳輸時(shí)間，就可以計(jì)算出風(fēng)速。當(dāng)L的取值為0.1 m時(shí)，風(fēng) 速達(dá)到 0.2 m/s，標(biāo)況下 c=340 m/s，計(jì)算 tAB、tBA分別為415.768 24 μs、416.114 25 μs，tBA-tAB=346 ns，處理器芯片的主頻達(dá)到100 MHz，最小檢測(cè)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(duì)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(duì)時(shí)間差的測(cè)量具有較大的影響，采用直接測(cè)量時(shí)間差的方法會(huì)造成測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失真[8-9]。

本文測(cè)量超聲波在空氣中傳播的時(shí)間差，采用對(duì)時(shí)間測(cè)量信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)法進(jìn)行計(jì)算，互相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)在于其測(cè)量精度高，對(duì)環(huán)境噪聲具有很強(qiáng)的免疫性。相關(guān)函數(shù)描述了一個(gè)信號(hào)過(guò)去時(shí)間和現(xiàn)在時(shí)間的相互關(guān)系，也可以估計(jì)信號(hào)的下一個(gè)取值，相關(guān)函數(shù)能夠描述兩個(gè)信號(hào)之間的相互關(guān)系或者相似性程度。 由信號(hào)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(hào) r1（τ）和 r2（τ）的時(shí)間差 τ 的函數(shù)，τ=t1-t2，當(dāng)時(shí)互相關(guān)函數(shù)取得最大值時(shí)，有t=τ，此時(shí)的τ值即為需要測(cè)量的時(shí)間差。

通過(guò)DSP對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到，但是，對(duì)大量數(shù)據(jù)逐點(diǎn)計(jì)算相關(guān)函數(shù)，運(yùn)算量非常大耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差。在本文中，將時(shí)域的相關(guān)函數(shù)變換為頻域中進(jìn)行計(jì)算，可以極大提高計(jì)算效率，如下式所示，

根據(jù)時(shí)域信號(hào)的卷積的離散傅里葉變換等于信號(hào)傅里葉變換在頻域內(nèi)的乘積，頻域內(nèi)的傅里葉變換計(jì)算完成后，通過(guò)傅里葉反變換變換為時(shí)域的相關(guān)計(jì)算結(jié)果，如下式所示，

在計(jì)算結(jié)果中選取相關(guān)結(jié)果最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間t，即為我們需要的時(shí)間差。

2 超聲波的溫度補(bǔ)償

根據(jù)歐拉方程，聲音在空氣中的傳播速度為：

式中T為環(huán)境的實(shí)際溫度，單位為攝氏溫度。電路中對(duì)溫度的檢測(cè)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(cè)量溫度基本準(zhǔn)確，能夠滿(mǎn)足測(cè)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?gòu)?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(cè)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(shí)，實(shí)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(gè)方向跳變，傳感器的輸出信號(hào)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(yīng)的風(fēng)速大小有關(guān)，所以本文采用風(fēng)速矢量統(tǒng)計(jì)加權(quán)的方法，確定低風(fēng)速時(shí)風(fēng)向的穩(wěn)定指向。在設(shè)定時(shí)間內(nèi)T內(nèi)，

采樣N點(diǎn)矢量風(fēng)速，規(guī)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?yàn)閎N，這時(shí)間T內(nèi)N點(diǎn)風(fēng)速的加權(quán)值y0為：

4 硬件電路設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)風(fēng)儀系統(tǒng)硬件以TI公司的TMS320VC5509A低成本處理器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，TMS320VC5509A是定點(diǎn)型的高速數(shù)字信號(hào)專(zhuān)用處理器[10-11]，主頻高達(dá)200 MHz，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理場(chǎng)合，是功耗較低的一款DSP芯片型號(hào)，具有較好的實(shí)時(shí)性能。

硬件核心控制系統(tǒng)主要包括DSP芯片的時(shí)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(jì)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。

圖2 超聲波發(fā)送電路Fig.2 Ultrasonic transmitter circuit

在發(fā)送電路中，采用CD4069反相器啟動(dòng)，CD4069具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、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(hào)，接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)告訴運(yùn)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(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行數(shù)字處理。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)各個(gè)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(hào)處理模塊，顯示模塊和對(duì)外通信模塊。系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集利用ADC完成超聲波信號(hào)的采，數(shù)字信號(hào)處理模塊主要完成對(duì)采集到的超聲波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算得出準(zhǔn)確的風(fēng)速測(cè)量值，利用液晶模塊將測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向值進(jìn)行顯示，利用串口將測(cè)量值進(jìn)行輸出。軟件流程圖如圖4所示。

圖3 超聲波接收電路Fig.3 Ultrasonic receiver circuit

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 System software flow diagram

6 測(cè)試與分析

在測(cè)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(cè)量實(shí)際的風(fēng)速，作為標(biāo)準(zhǔn)值，將風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀的測(cè)量值與其對(duì)比，對(duì)同一點(diǎn)風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)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(dāng)風(fēng)速小于0.1 m/s時(shí)，檢測(cè)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(duì)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(shè)計(jì)，闡述了超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的原理以及軟件和硬件的實(shí)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(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀提高了風(fēng)速的測(cè)量范圍和測(cè)量的精度，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.1 Test data sheet

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