移動式超聲波風速觀測系統(tǒng)的設計

移動式超聲波風速觀測系統(tǒng)的設計

0測量儀器設計風角趨勢作為一個重要的氣候因素，特別是在建造海洋和應急引導車的自動氣象站時，需要一個地形的風角測量系統(tǒng)。此外，環(huán)境檢測、工業(yè)風道檢測、危險氣體測量和其他工業(yè)生產和科學研究對高速測風儀有著廣泛的應用需求。目前國內外的風速風向測量儀器大多為固定式,根本無法滿足移動式風速風向的測量需求。而且傳統(tǒng)式儀器大多采用低位單片機作為微處理器,不僅限制了系統(tǒng)的測量精度,同時對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度和通信能力也有一定的約束。文中設計了一種移動式超聲波風速風向測量系統(tǒng),在測量出三維風速風向參數(shù)的同時,能夠對載體的運動速度和方位進行測量,并能夠對測量到的風速風向進行系統(tǒng)校正,從而實現(xiàn)移動式情況下風速風向參數(shù)的測量。該系統(tǒng)具有功耗小、精度高、可靠性高、不受環(huán)境影響等特點。1系統(tǒng)的工作原則和系統(tǒng)結構的設計計劃1.1維平面內各點的約束副由于超聲波在空氣中的傳播速度和風速風向密切相關,且風速是矢量,因此其可以分解為空間中相互垂直的3個分矢量。文中從實際需要出發(fā),只考慮測量平面內的風速,并認為平面內風速就是實際風速。設風速在空間直角坐標系的3個坐標上投影分量分別為vx、vy、vz;系統(tǒng)速度c可看為在平面坐標系下的二維向量。設在坐標原點(與系統(tǒng)速度矢量在二維平面坐標系的坐標原點相)A(0,0,0)和x軸正方向上距離原點為d的點B(d,0,0)各放置一個收發(fā)一體式超聲波傳感器,A點發(fā)射的超聲波信號被B點接收,如圖1所示,其渡越時間為t1;同時,B點發(fā)射的超聲波信號被A點接收,其渡越時間為t2;設從A點到B點為順風風向。則從A點到B點的風速為vx=(d/t1-d/t2)/2-Cx(1)式中:vx為三維風速在x坐標的分量;d為相對傳感器的距離;t1、t2為信號的渡越時間;cx為系統(tǒng)速度在x坐標的分量。從式(1)可以看出:只需測出順風、逆風條件下的渡越時間t1、t2以及此時系統(tǒng)自身的速度c和方向參數(shù)θ1,即可測出移動情況下的風速沿x軸方向的分量vx。同理可測得vy。這樣就可算得在平面內的自然風速v和風向角θ為v=(v2xx2+v2yy2)1/2(2)式中v為平面內風速。θ=tan-2(vx/vy)±θ1(3)式中θ為自然風向角;θ0為系統(tǒng)方向角。從式(2)可以看出風速的測量中沒有包含傳統(tǒng)意義上影響風速測量的重要因素:聲速(其數(shù)值隨著環(huán)境溫度的變化而變化),即避免了溫度對系統(tǒng)測量精度造成的影響。1.2傳感及工作原理該系統(tǒng)總體包括超聲波三維風速風向測量單元、載體速度測量單元、系統(tǒng)方向測定單元。系統(tǒng)采用s3c2440作為微控制器,其主頻可達533MHz(設計采用400MHz),定時器的輸入頻率可達50MHz及更高。超聲波三維風速風向測量單元采用具有較小聲阻抗、收發(fā)一體式傳感器FUS-200A,其諧振頻率為200kHz,不僅提高了測量精度,同時也避免了采用溫度補償對測量精度造成的影響。載體速度測量單元選用霍爾傳感器N1H-5C-70作為速度傳感器,并對信號的輸入輸出采取了整形隔離電路設計。系統(tǒng)方向測定單元選用電子羅盤FNN-3300作為方向測定單元的核心,并通過帶有隔離電路設計的SPI接口與微控制器進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)結構原理框圖如圖2所示。S3c2440微控制器作為整個系統(tǒng)的核心部件,協(xié)調各部分電路的工作。系統(tǒng)的大致工作過程可簡述為:微控制器通過載體速度測量單元和系統(tǒng)方向測定單元獲得測量時間點的系統(tǒng)移動速度和方位參數(shù)后,利用超聲波三維風速風向測量單元測量出三維空間里的三維風速風向參數(shù),并轉化為平面內風速風向參數(shù);經系統(tǒng)的數(shù)據(jù)校驗后參與系統(tǒng)的風速風向修正計算,并通過網絡接口把數(shù)據(jù)上傳至上位機,同時在LCD顯示器上顯示,至此即完成一次測量任務。2系統(tǒng)硬件設計2.1超聲波三維風速測量單元風速風向測量單元設計采用6路同時發(fā)射,分別接收的電路設計,以提升系統(tǒng)對瞬時風速的測量準確度。2.1.1鐵磁波脈沖變壓器電路設計發(fā)射驅動電路的設計重點是功率的傳遞以及短時間內的響應特性,在經過后期試驗后,系統(tǒng)采用EE20功率軟磁鐵氧體磁芯作為骨架,繞線徑為0.3mm,初、次級匝數(shù)比為9∶55的單端正激式脈沖變壓器作為功率傳輸中介,同時,經變壓器及相關電路的的阻抗匹配后,避免了采用電壓沖擊形式對超聲波傳感器帶來的額外噪聲影響,不僅提高了系統(tǒng)的電源功率利用率,同時提升了超聲波傳感器發(fā)射靈敏度和超聲波信號接收時的響應靈敏度。2.1.2超聲波信號的到達時間控制為了提升系統(tǒng)對回波信號的分辨力,設計采用精密全波整流電路對回波信號進行整流以提升系統(tǒng)對回波信號的分辨力。傳統(tǒng)獲得信號渡越時間的方法是將經過檢波后的回波信號與一固定閾值的電平在一比較器電路中進行比較,比較器輸出電平的翻轉時間就表示為信號的到達時間,但由于超聲波信號在傳輸過程中,會因為固有發(fā)散以及環(huán)境因素等造成接收端經放大濾波后的信號在幅度上有一定程度的波動。為了避免因此而帶來的測量誤差,采用不會因信號幅度波動而產生變化的信號峰值時間點作為測量時間點,即設計一峰值時間檢測電路來確定信號峰值時間點即超聲波信號的到達時間。在實際的運行中,由微處理器控制發(fā)射驅動電路驅動傳感器發(fā)射一定數(shù)量的連續(xù)測量信號,接收端經波形放大后,再經濾波、整流、包絡檢波、峰值時間檢測后,輸出關于時間檢測的中斷電平,繼而由微控制器判斷出在固定距離下超聲波信號的渡越時間。由于該方法在原理上避免了信號幅度的變化引起的測量誤差。2.2速度傳感器載體速度測量單元采用的方法為脈沖式測速法。設計采用基于霍爾效應的傳感器N1H-5C-70作為速度傳感器,原理為當傳感器與車輪或船軸的相對旋轉時將產生與輪軸轉速成正比的脈沖數(shù),再根據(jù)適當比例調整單位時間內的脈沖數(shù),從而換算得出載體的速度參數(shù)。由于實際應用環(huán)境中存在較大的電磁干擾,因此對信號的輸入輸出進行了整形隔離。速度傳感器采集原理圖如圖3所示。系統(tǒng)方向測定單元則采用可靠性較高的測向電子羅盤FNN-3300作為核心部件,通過設計帶有光電隔離電路的SPI接口與微控制器s3c2440相連接,不僅具有高精度的優(yōu)點,尤其對于山區(qū)等測量地勢都具有較好的測量精度。3系統(tǒng)程序介紹由于系統(tǒng)對實時性的需求較高,因此系統(tǒng)整體上采用結構化程序設計以滿足系統(tǒng)的實時性和精確性功能需求,同時考慮到系統(tǒng)簡便性,程序中使用了大量子程序,包括PWM子程序、延時子程序、系統(tǒng)速度及風向測量子程序、數(shù)據(jù)校驗子程序、風速風向計算子程序、LCD顯示子程序、通信子程序等。整個系統(tǒng)程序包括主控制模塊、信號發(fā)送和接收模塊、上位機通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等。主控制模塊主要負責協(xié)調整個系統(tǒng)的運行,采用調用原則進行模塊的調入運行。信號發(fā)送和接收模塊主要負責驅動超聲波電路發(fā)射超聲波信號以及超聲波信號的接收。上位機通信模塊則負責與上位機的實時通信及擴展。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示,在一次功能調用完成后,系統(tǒng)即轉入省電模式,使系統(tǒng)功耗進一步降低。該測量系統(tǒng)是一種高分辨力的移動式風速風向測量系統(tǒng),具有測量誤差不受風速風向強度變化及外部環(huán)境(雷電、低溫冰凍、高溫等)和沙塵氣候環(huán)境影響的突出優(yōu)點。由于風速風向測量單元在一定范圍內達到了較高的測量精度,從而實現(xiàn)了移動式情況下的高精度風速風向測量。選取的32位微控制器及高頻超聲波傳感器都具有性能高、功耗低的特點,并且大大簡化了外圍接口電路的設計。從實際測量數(shù)據(jù)可以看出,所設計的測量誤差較小,完全能夠滿足使用要求,同時系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。4測試及通信軟件設計主要完成了移動式超聲波風速風向測量系統(tǒng)的超聲波三維風速風向測量單元、載體速度測量單元、方向測定部件與微控制器的連接等硬件模塊以及系統(tǒng)測量及通信等軟件的設計。該系統(tǒng)不僅可應用于移動式情況下風速風向的