移动式超声波风速观测系统的设计

移动式超声波风速观测系统的设计

0测量仪器设计风角趋势作为一个重要的气候因素，特别是在建造海洋和应急引导车的自动气象站时，需要一个地形的风角测量系统。此外，环境检测、工业风道检测、危险气体测量和其他工业生产和科学研究对高速测风仪有着广泛的应用需求。目前国内外的风速风向测量仪器大多为固定式,根本无法满足移动式风速风向的测量需求。而且传统式仪器大多采用低位单片机作为微处理器,不仅限制了系统的测量精度,同时对系统的数据处理速度和通信能力也有一定的约束。文中设计了一种移动式超声波风速风向测量系统,在测量出三维风速风向参数的同时,能够对载体的运动速度和方位进行测量,并能够对测量到的风速风向进行系统校正,从而实现移动式情况下风速风向参数的测量。该系统具有功耗小、精度高、可靠性高、不受环境影响等特点。1系统的工作原则和系统结构的设计计划1.1维平面内各点的约束副由于超声波在空气中的传播速度和风速风向密切相关,且风速是矢量,因此其可以分解为空间中相互垂直的3个分矢量。文中从实际需要出发,只考虑测量平面内的风速,并认为平面内风速就是实际风速。设风速在空间直角坐标系的3个坐标上投影分量分别为vx、vy、vz;系统速度c可看为在平面坐标系下的二维向量。设在坐标原点(与系统速度矢量在二维平面坐标系的坐标原点相)A(0,0,0)和x轴正方向上距离原点为d的点B(d,0,0)各放置一个收发一体式超声波传感器,A点发射的超声波信号被B点接收,如图1所示,其渡越时间为t1;同时,B点发射的超声波信号被A点接收,其渡越时间为t2;设从A点到B点为顺风风向。则从A点到B点的风速为vx=(d/t1-d/t2)/2-Cx(1)式中:vx为三维风速在x坐标的分量;d为相对传感器的距离;t1、t2为信号的渡越时间;cx为系统速度在x坐标的分量。从式(1)可以看出:只需测出顺风、逆风条件下的渡越时间t1、t2以及此时系统自身的速度c和方向参数θ1,即可测出移动情况下的风速沿x轴方向的分量vx。同理可测得vy。这样就可算得在平面内的自然风速v和风向角θ为v=(v2xx2+v2yy2)1/2(2)式中v为平面内风速。θ=tan-2(vx/vy)±θ1(3)式中θ为自然风向角;θ0为系统方向角。从式(2)可以看出风速的测量中没有包含传统意义上影响风速测量的重要因素:声速(其数值随着环境温度的变化而变化),即避免了温度对系统测量精度造成的影响。1.2传感及工作原理该系统总体包括超声波三维风速风向测量单元、载体速度测量单元、系统方向测定单元。系统采用s3c2440作为微控制器,其主频可达533MHz(设计采用400MHz),定时器的输入频率可达50MHz及更高。超声波三维风速风向测量单元采用具有较小声阻抗、收发一体式传感器FUS-200A,其谐振频率为200kHz,不仅提高了测量精度,同时也避免了采用温度补偿对测量精度造成的影响。载体速度测量单元选用霍尔传感器N1H-5C-70作为速度传感器,并对信号的输入输出采取了整形隔离电路设计。系统方向测定单元选用电子罗盘FNN-3300作为方向测定单元的核心,并通过带有隔离电路设计的SPI接口与微控制器进行数据交换。系统结构原理框图如图2所示。S3c2440微控制器作为整个系统的核心部件,协调各部分电路的工作。系统的大致工作过程可简述为:微控制器通过载体速度测量单元和系统方向测定单元获得测量时间点的系统移动速度和方位参数后,利用超声波三维风速风向测量单元测量出三维空间里的三维风速风向参数,并转化为平面内风速风向参数;经系统的数据校验后参与系统的风速风向修正计算,并通过网络接口把数据上传至上位机,同时在LCD显示器上显示,至此即完成一次测量任务。2系统硬件设计2.1超声波三维风速测量单元风速风向测量单元设计采用6路同时发射,分别接收的电路设计,以提升系统对瞬时风速的测量准确度。2.1.1铁磁波脉冲变压器电路设计发射驱动电路的设计重点是功率的传递以及短时间内的响应特性,在经过后期试验后,系统采用EE20功率软磁铁氧体磁芯作为骨架,绕线径为0.3mm,初、次级匝数比为9∶55的单端正激式脉冲变压器作为功率传输中介,同时,经变压器及相关电路的的阻抗匹配后,避免了采用电压冲击形式对超声波传感器带来的额外噪声影响,不仅提高了系统的电源功率利用率,同时提升了超声波传感器发射灵敏度和超声波信号接收时的响应灵敏度。2.1.2超声波信号的到达时间控制为了提升系统对回波信号的分辨力,设计采用精密全波整流电路对回波信号进行整流以提升系统对回波信号的分辨力。传统获得信号渡越时间的方法是将经过检波后的回波信号与一固定阈值的电平在一比较器电路中进行比较,比较器输出电平的翻转时间就表示为信号的到达时间,但由于超声波信号在传输过程中,会因为固有发散以及环境因素等造成接收端经放大滤波后的信号在幅度上有一定程度的波动。为了避免因此而带来的测量误差,采用不会因信号幅度波动而产生变化的信号峰值时间点作为测量时间点,即设计一峰值时间检测电路来确定信号峰值时间点即超声波信号的到达时间。在实际的运行中,由微处理器控制发射驱动电路驱动传感器发射一定数量的连续测量信号,接收端经波形放大后,再经滤波、整流、包络检波、峰值时间检测后,输出关于时间检测的中断电平,继而由微控制器判断出在固定距离下超声波信号的渡越时间。由于该方法在原理上避免了信号幅度的变化引起的测量误差。2.2速度传感器载体速度测量单元采用的方法为脉冲式测速法。设计采用基于霍尔效应的传感器N1H-5C-70作为速度传感器,原理为当传感器与车轮或船轴的相对旋转时将产生与轮轴转速成正比的脉冲数,再根据适当比例调整单位时间内的脉冲数,从而换算得出载体的速度参数。由于实际应用环境中存在较大的电磁干扰,因此对信号的输入输出进行了整形隔离。速度传感器采集原理图如图3所示。系统方向测定单元则采用可靠性较高的测向电子罗盘FNN-3300作为核心部件,通过设计带有光电隔离电路的SPI接口与微控制器s3c2440相连接,不仅具有高精度的优点,尤其对于山区等测量地势都具有较好的测量精度。3系统程序介绍由于系统对实时性的需求较高,因此系统整体上采用结构化程序设计以满足系统的实时性和精确性功能需求,同时考虑到系统简便性,程序中使用了大量子程序,包括PWM子程序、延时子程序、系统速度及风向测量子程序、数据校验子程序、风速风向计算子程序、LCD显示子程序、通信子程序等。整个系统程序包括主控制模块、信号发送和接收模块、上位机通信模块、数据显示模块等。主控制模块主要负责协调整个系统的运行,采用调用原则进行模块的调入运行。信号发送和接收模块主要负责驱动超声波电路发射超声波信号以及超声波信号的接收。上位机通信模块则负责与上位机的实时通信及扩展。系统程序流程图如图4所示,在一次功能调用完成后,系统即转入省电模式,使系统功耗进一步降低。该测量系统是一种高分辨力的移动式风速风向测量系统,具有测量误差不受风速风向强度变化及外部环境(雷电、低温冰冻、高温等)和沙尘气候环境影响的突出优点。由于风速风向测量单元在一定范围内达到了较高的测量精度,从而实现了移动式情况下的高精度风速风向测量。选取的32位微控制器及高频超声波传感器都具有性能高、功耗低的特点,并且大大简化了外围接口电路的设计。从实际测量数据可以看出,所设计的测量误差较小,完全能够满足使用要求,同时系统运行稳定可靠。4测试及通信软件设计主要完成了移动式超声波风速风向测量系统的超声波三维风速风向测量单元、载体速度测量单元、方向测定部件与微控制器的连接等硬件模块以及系统测量及通信等软件的设计。该系统不仅可应用于移动式情况下风速风向的