摘 要: 針對傳統(tǒng)測風(fēng)儀器無法直接用于移動(dòng)條件下（如車載或船載時(shí)）的風(fēng)速風(fēng)向測量的問題,設(shè)計(jì)了一種可以在移動(dòng)平臺(tái)上應(yīng)用的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用超聲波時(shí)差法測量平面內(nèi)二維風(fēng)向風(fēng)速，同時(shí)使用霍爾傳感器和電子羅盤測量基座的移動(dòng)速度和方向，通過微處理器對測得的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行修正，得到實(shí)際風(fēng)速和風(fēng)向。系統(tǒng)采用ARM作為核心控制器，提高了時(shí)差的測量精度，并降低了功耗。
關(guān)鍵詞： 超聲波； 風(fēng)速測量； 移動(dòng)平臺(tái)
風(fēng)是相對于大地表面的空氣運(yùn)動(dòng),風(fēng)速大小和方向嚴(yán)重影響人類的生活。高分辨率、高精度的風(fēng)速風(fēng)向測量在氣象研究、天氣預(yù)報(bào)、大氣環(huán)境監(jiān)測等方面占有非常重要的地位[1]。常用的風(fēng)速風(fēng)向的測量方法主要有風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)杯、風(fēng)輪、超聲波等。超聲波測風(fēng)儀因?yàn)榫哂邪惭b簡單、維護(hù)方便、測量精度高等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中都有廣泛應(yīng)用[2]。超聲波測風(fēng)儀的設(shè)計(jì)已有很多種,如參考文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種以DSP為核心，使用超聲波換能器和紅外線檢波接收器的超聲波測風(fēng)設(shè)備；參考文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種基于高速單片機(jī)和收發(fā)一體式超聲波換能器的測風(fēng)設(shè)備，并使用了鉑電阻和濕敏電容進(jìn)行溫度補(bǔ)償;參考文獻(xiàn)[4]介紹了移動(dòng)平臺(tái)上測風(fēng)的基本原理并進(jìn)行了初步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
測風(fēng)設(shè)備在特殊要求下，需要在相對于大地運(yùn)動(dòng)的基座上進(jìn)行測量時(shí)(如在行駛的汽車上、航行的船舶上)，傳統(tǒng)儀器因?yàn)闊o法修正基座運(yùn)動(dòng)給測量帶來的偏差從而無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM芯片的風(fēng)速測量系統(tǒng)，該儀器使用超聲波時(shí)差法測量平面二維風(fēng)速，同時(shí)使用霍爾傳感器和電子羅盤測量基座的運(yùn)動(dòng)方向和速度，并對測得的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行修正從而獲得真實(shí)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，適用于基座移動(dòng)過程中的測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有適用范圍廣、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。
1 移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量原理
當(dāng)超聲波在有風(fēng)的空氣中傳播且傳播的距離為一預(yù)定值時(shí)，其順流和逆流傳播將有一個(gè)以時(shí)間差形式表現(xiàn)出來的速度差，而這個(gè)時(shí)間差與待測的風(fēng)速之間是具有一定線性關(guān)系的[5]。在空間水平面上放置兩個(gè)收發(fā)一體的超聲波換能設(shè)備A和B，兩個(gè)設(shè)備之間的距離為d，假設(shè)超聲波在靜止的空氣中傳播速度為c，風(fēng)的方向?yàn)锳到B的方向，速度為vAB，從A發(fā)射超聲波到B接收到經(jīng)過的時(shí)間為t1，從B發(fā)射到A接收到經(jīng)過的時(shí)間為t2，可以得到：
超聲波在空氣中的傳播速度是受溫度影響的，從式(1)中可以看出，風(fēng)速的測量中并不包含超聲波速度的項(xiàng)，因此避免了溫度對系統(tǒng)測量精度的影響[4]。
若在這兩個(gè)超聲波換能設(shè)備連線的垂直線上，再放置兩個(gè)相同的超聲波換能設(shè)備,就可以測得風(fēng)速在平面直角坐標(biāo)系下在兩個(gè)坐標(biāo)軸上的映射分量。當(dāng)測量基座相對大地運(yùn)動(dòng)時(shí)，超聲波測風(fēng)設(shè)備測出的風(fēng)速風(fēng)向值結(jié)合測量基座運(yùn)動(dòng)的方向與速度值進(jìn)行系統(tǒng)修正，就可得出實(shí)際條件下自然風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向值。
2 移動(dòng)式超聲波風(fēng)速儀總體設(shè)計(jì)
如圖1所示，系統(tǒng)外圍部件主要由超聲波風(fēng)速測量模塊、基座測速模塊、方向測量模塊、數(shù)據(jù)通信接口模塊和人機(jī)接口模塊構(gòu)成。
超聲波風(fēng)速測量模塊采用收發(fā)一體式超聲波換能器，不僅簡化了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)也為后期的安裝使用提供了便利；基座測速模塊采用霍爾速度傳感器與單片機(jī)相結(jié)合，采用RS232串口通信方式將速度基座運(yùn)動(dòng)速度傳送到微控制器；方向測量模塊采用先進(jìn)的集成式磁傳感器LSM303DLH，通過通信方式將方向信息傳送到微控制器；數(shù)據(jù)通信接口提供了RS232和RS485兩種接口，分別適應(yīng)近距離和遠(yuǎn)距離與上位機(jī)的通信；人機(jī)接口部分設(shè)置了一個(gè)有6個(gè)按鍵的鍵盤和3.2英寸TFT彩屏液晶。
3 移動(dòng)超聲波風(fēng)速儀的硬件設(shè)計(jì)
移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)以基于32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器 LPC1768作為系統(tǒng)的控制與運(yùn)算核心。該芯片為NXP公司的基于第二代ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，其操作頻率高達(dá)120 MHz，代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25 MIPS/MHz,并有豐富的接口部件。ARM芯片自身的高速處理技術(shù)將有助于提高超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)的測量精度和實(shí)時(shí)性。
3.1 超聲波風(fēng)速測量模塊的設(shè)計(jì)
超聲波是頻率高于20 kHz的聲波，其相比于可聽聲有中心頻率較高、發(fā)射指向性好、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。利用超聲波的這種性能可以制成超聲波傳感器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能，又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件[6]。本系統(tǒng)采用FUS-200型超聲波換能器，它是一種中心頻率為200 kHz的高頻壓電式超聲波換能器，驅(qū)動(dòng)電壓為60 V，與頻率的普通換能器的驅(qū)動(dòng)電壓（一般為200~400 V）相比，具有聲電轉(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動(dòng)電壓低、容易成型等突出優(yōu)點(diǎn)。
系統(tǒng)采用基于自激型驅(qū)動(dòng)電路的原理設(shè)計(jì)，利用了超聲波換能器自身的諧振特性，再配合以外部相關(guān)電路使換能器在諧振頻率附近產(chǎn)生振蕩。
如圖2所示，激勵(lì)脈沖由微控制器產(chǎn)生并從K1送入，通過三極管Q4放大驅(qū)動(dòng)MOS管，將12 V電壓接入脈沖變壓器升至60 V控制RC電路的充放電的切換，產(chǎn)生200 kHz的震蕩，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器。驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖3所示。為保護(hù)后續(xù)放大電路，在接收端連接一對反并聯(lián)二極管D2、D3進(jìn)行信號限幅。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)IN1，由微控制器引腳電平控制，在加激勵(lì)脈沖之前打開，結(jié)束后關(guān)閉，有效減輕了脈沖變壓器的信號干擾。
為了使微控制器精確地捕捉到信號的邊沿，獲得超聲波信號到達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)間，應(yīng)對接收到的信號進(jìn)行放大、濾波、包絡(luò)檢波和閾值比較。
放大電路由兩片低噪聲、高速寬帶運(yùn)算放大器OP37和RC網(wǎng)絡(luò)組成，理論放大倍數(shù)約為2 200倍，符合后續(xù)處理電路的輸入電壓要求。濾波部分采用了單運(yùn)放TL082為核心的壓控電壓源二階帶通濾波電路作為帶通濾波器,下限截止頻率100 kHz,上限截止頻率300 kHz。
包絡(luò)檢波可以將環(huán)境變化對超聲波信號的幅度的影響減到最低。經(jīng)過包絡(luò)檢波后的信號是一個(gè)正弦信號，此時(shí)為獲得超聲波信號的到達(dá)時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了電壓比較器LM393進(jìn)行閾值比較。
3.2 基座測速模塊的設(shè)計(jì)
基座測速采用開關(guān)式霍爾傳感器與單片機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)。相比于常用的GPS測速和光電測速，霍爾傳感器測速方法具有信號輸出穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)粘有磁鋼的車輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鋼掃過固定的霍爾傳感器，霍爾元件附近磁場發(fā)生變化，進(jìn)而引起霍爾傳感器輸出電壓的改變。本系統(tǒng)中采用集成常開開關(guān)型霍爾傳感器A04E，配合單片機(jī)捕捉電壓跳變沿，利用單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器分別檢測單位時(shí)間內(nèi)下降沿的個(gè)數(shù)（測頻法）和兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間（測周法），進(jìn)而計(jì)算出車輪的轉(zhuǎn)速。
實(shí)驗(yàn)測定的測頻法和測周法相對誤差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖4所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在高轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，測頻法精度相對較高；在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測周法精度相對較高。實(shí)際使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)速算法。
基座方向測量模塊通過數(shù)字電子羅盤實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電子羅盤由于其成本低、體積小、精度高、環(huán)境適應(yīng)性能好、具有數(shù)字化接口等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和導(dǎo)航系統(tǒng)中[7]。本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體LSM303DLH電子羅盤來進(jìn)行方向測量，該芯片模塊內(nèi)集成有一個(gè)3軸數(shù)字加速計(jì)以及一個(gè)3軸數(shù)字磁傳感器，模塊內(nèi)的磁感應(yīng)元件是基于霍尼韋爾的各向異性磁阻（AMR）技術(shù)所設(shè)計(jì)的。使用環(huán)境的鐵磁介質(zhì)引起的磁場變化導(dǎo)致電子羅盤輸出精度下降是常見現(xiàn)象[7]，因此在使用之前要進(jìn)行校準(zhǔn)，以消除附近磁場的影響。使用電子羅盤測得的航向還應(yīng)根據(jù)國際地磁參考區(qū)域(IGRF)，在羅盤輸出的航向值上加上或減去當(dāng)?shù)氐拇牌牵拍艿贸稣_的以地理北極為參考的方位角。
3.3 數(shù)據(jù)通信接口的設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)通信接口利用了片上的4個(gè)UART串行接口。UART0用于與基座測速模塊通信； UART1經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232與PC上位機(jī)通信；UART2經(jīng)過半雙工收發(fā)器SP3485轉(zhuǎn)化為RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)，用于可能需要的長距離通信和多設(shè)備組網(wǎng)；UART3用于輔助調(diào)試和后期擴(kuò)展使用。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)功能模塊的劃分，軟件設(shè)計(jì)也主要分為三部分：超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量、基座運(yùn)動(dòng)參數(shù)通信、人機(jī)接口。主要涉及的子程序有：初始化子程序、渡越時(shí)間測量子程序、電子羅盤通信子程序、測速器通信子程序、數(shù)據(jù)計(jì)算子程序、顯示子程序和按鍵掃描子程序，以及測量基座速度的微控制器中的定時(shí)、計(jì)數(shù)程序和通信程序。編程調(diào)試環(huán)境為Keil μVision4，采用C語言為主要開發(fā)語言。主程序流程圖如圖5所示。
研究基于移動(dòng)基座的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)的測量方法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對于航海、應(yīng)急式車載自動(dòng)氣象站等的建設(shè)以及危險(xiǎn)性氣體監(jiān)測等工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究等具有重要的理論及實(shí)踐意義。本文分析了在移動(dòng)式情況下進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向測量的原理，提出了以LPC1768為核心的硬件結(jié)構(gòu)，并制作樣機(jī)進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)應(yīng)用在移動(dòng)式風(fēng)速風(fēng)向的測量領(lǐng)域，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向信息的智能化采集，滿足車載、船載及海上活動(dòng)平臺(tái)等測風(fēng)領(lǐng)域的風(fēng)速風(fēng)向測量需求。
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