吳宗玲，閆連山，曾德兵，陳娟子

（西南交通大學(xué)信息光子與通信研究中心，四川成都 610031）

0 引言

1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量原理［3，4］

在自然環(huán)境中，風(fēng)速、風(fēng)向可能是隨機(jī)變化的，為了能夠準(zhǔn)確地測(cè)量風(fēng)矢量信息，本文采取將兩對(duì)收發(fā)一體的超聲波探頭相互垂直放置，兩兩相對(duì)呈180°且每對(duì)超聲波探頭間距離相等，安裝在同一水平面上，分別表示東、南、西、北（如圖1（a），（b）所示）。以相同頻率發(fā)射超聲波信號(hào)并測(cè)量其順、逆向的傳播時(shí)間。通過相應(yīng)計(jì)算，可以得到風(fēng)速、風(fēng)向的數(shù)值，其所測(cè)得的結(jié)果為平均的水平風(fēng)速、風(fēng)向，在對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)上表示，如圖1（c）所示。

假設(shè)南北（東西）兩對(duì)超聲波收發(fā)器間的距離均為L，超聲波順、逆?zhèn)鞑r(shí)間為t南北，t北南，t東西，t西東。其中，t西東為超聲波由西到東、t東西為由東到西、t南北為由南到北、t北南為由北到南傳播所需時(shí)間，風(fēng)速為VW，東西分量為V東西，南北分量為V南北，超聲波傳播速度為VS。根據(jù)時(shí)差法可求得

東西方向上風(fēng)速為

圖1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的結(jié)構(gòu)與原理Fig 1 Structure and principle of ultrasonic wave anemometer

南北方向上風(fēng)速為

于是，風(fēng)向角

認(rèn)識(shí)是第一位的，只有提升事業(yè)單位人員的整體素養(yǎng)，提升他們對(duì)人事檔案管理的充分認(rèn)識(shí)，才能真實(shí)記錄和完整反饋事業(yè)單位各項(xiàng)人事關(guān)系，真正為事業(yè)單位發(fā)展提供決策依據(jù)。

根據(jù)式（3）和式（5）可得出以下結(jié)論:

1）只須測(cè)得超聲波順、逆?zhèn)鞑r(shí)間t南北，t北南，t東西，t西東便可以求得當(dāng)前被測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向，且與超聲波傳播速度VS無關(guān)，而超聲波的傳播速度主要受溫度影響，所以，本設(shè)計(jì)也基本消除了環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響［5］;

2）由于對(duì)超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度將直接影響到系統(tǒng)最終的性能，假設(shè)兩對(duì)超聲波傳感器間的距離L=15 cm，VS=340m/s，則傳播時(shí)間t=0．44ms，因此，要求系統(tǒng)具有較快的測(cè)量速度和計(jì)算精度，本文采用ARM+CPLD的方法，其中，超聲波傳播時(shí)間測(cè)量單元的時(shí)鐘為100 MHz，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合ARM強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，以滿足測(cè)量速度快、計(jì)算精度高的要求。

2 超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采用NXP公司的ARM和Altera公司的CPLD芯片作為核心處理器，控制超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)電路、超聲波信號(hào)放大和接收電路、系統(tǒng)計(jì)時(shí)電路、運(yùn)算處理電路和外設(shè)接口電路，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖Fig 2 Block diagram of the overall system design

超聲波驅(qū)動(dòng)單元接收中央處理器的命令，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)超聲波探頭的脈沖，并驅(qū)動(dòng)超聲波探頭發(fā)射超聲波;時(shí)間測(cè)量單元與超聲波發(fā)射和接收電路相連，用于測(cè)量超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時(shí)間;運(yùn)算處理單元用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理，并發(fā)出各種控制命令;通信接口單元給用戶終端提供相應(yīng)的數(shù)字接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;電源單元將輸入電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)各部分所需要的電壓。

2．2 功能單元實(shí)現(xiàn)

2．2．1 超聲波驅(qū)動(dòng)電路

首先，將由中央控制器發(fā)出命令，使得CPLD單元產(chǎn)生10個(gè)頻率為300kHz的方波脈沖，這10個(gè)脈沖經(jīng)過相應(yīng)的升壓電路，將脈沖的峰峰值升到600 V左右以較好地驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器。圖3為驅(qū)動(dòng)電路脈沖的實(shí)際測(cè)量波形示意圖。

圖3 超聲波驅(qū)動(dòng)脈沖Fig 3 Pulse which drives ultrasonic wave sensor

2．2．2 超聲波接收和放大電路、計(jì)時(shí)單元

超聲波探頭所接收到的信號(hào)是非常微弱的，必須要進(jìn)行相應(yīng)的放大才能正確地判決其到達(dá)時(shí)間，首先將接收信號(hào)通過運(yùn)放進(jìn)行足夠的放大，再送入施密特觸發(fā)器將其變成可被CPLD識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最后通過CPLD將其到達(dá)時(shí)間測(cè)量出來。如圖4所示（發(fā)射信號(hào)是10個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖;接收信號(hào)是經(jīng)過施密特觸發(fā)器后的判決信號(hào)）。

圖4 超聲波接收信號(hào)Fig 4 Measured receiving signals of ultrasonic wave

2．2．3 數(shù)據(jù)采集、處理單元

基于NXP公司的ARM芯片具有較高的數(shù)據(jù)處理能力、控制驅(qū)動(dòng)能力、功能強(qiáng)大的電路接口設(shè)計(jì)能力，本文采用其來進(jìn)行相應(yīng)的控制和數(shù)據(jù)處理。首先，將CPLD測(cè)量的超聲波傳播時(shí)間t南北，t北南，t東西，t西東發(fā)送到 ARM 芯片，然后，運(yùn)用式（3）、式（5）分別計(jì)算出風(fēng)速和風(fēng)向的相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣就完成了一次風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量。

3 風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)處理

將若干次單獨(dú)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的平均、濾波處理，從而得到最終的測(cè)量數(shù)據(jù)。一種較好且有效的處理方法是中位值平均法［6］，即去掉最大和最小的幾個(gè)數(shù)再平均，這樣所測(cè)得的數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際情況。

然而，在進(jìn)行角度平均的時(shí)候會(huì)遇到這樣的問題:假設(shè)正北方向?yàn)?°（360°），那么由于風(fēng)向的不穩(wěn)定性，在測(cè)量正北方向附近時(shí)可能測(cè)出來的風(fēng)向結(jié)果是2°也可能是358°等，這樣如果直接平均處理的話就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的錯(cuò)誤。本文所提出的方法是:先將要平均的風(fēng)向角（N組）進(jìn)行排序，再將排序后的數(shù)據(jù)，取最大值與最小值之差，如果其大于300°，則將最小值加上360°，并重新進(jìn)行排序，這樣反復(fù)查找直到全部都滿足要求。最后將所得的數(shù)據(jù)再進(jìn)行中位值平均處理，若其最終結(jié)果大于360°，則減去360°即可，這樣就完全解決了因?yàn)榕R界角0°（360°）而帶來的角度測(cè)量不準(zhǔn)問題。

4 氣壓數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)速的修正［7］

在某些應(yīng)用場(chǎng)合，比如:風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)能監(jiān)測(cè)等，需要測(cè)量出其絕對(duì)風(fēng)速（風(fēng)能的大?。?，這不僅和相對(duì)風(fēng)速有關(guān)，而且還與空氣密度有密切關(guān)系。而空氣密度可以用氣壓來衡量，所以，本文采用了氣壓傳感器來測(cè)量當(dāng)前大氣氣壓，并將其測(cè)量結(jié)果對(duì)超聲波風(fēng)速儀所測(cè)得的相對(duì)風(fēng)速值進(jìn)行修正，以得到絕對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)。本文所采用的氣壓芯片是BMP085，其測(cè)量范圍可以達(dá)到300～1 100 hPa，測(cè)量精度可以達(dá)到0．01 hPa，在一定程度上保證了系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

利用一個(gè)小型風(fēng)洞對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，用一臺(tái)電機(jī)向風(fēng)洞中吹風(fēng)，通過調(diào)節(jié)控制電機(jī)的變頻器從而得到不同的風(fēng)速值，本系統(tǒng)采用的是300 kHz的超聲波傳感器，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為24．7℃，相對(duì)濕度72%RH，大氣壓力948．4 hPa。共取值11組不同風(fēng)速的測(cè)試點(diǎn)，每組數(shù)據(jù)包含18個(gè)測(cè)量值，并將測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過最小二乘法擬合以觀察其線性度，如圖5所示。受風(fēng)洞條件所限，對(duì)于風(fēng)速高于25 m/s的情況，沒有進(jìn)行測(cè)試。

圖5 系統(tǒng)風(fēng)速標(biāo)定結(jié)果Fig 5 Result of wind speed calibration of the system

6 結(jié)束語

本文研究設(shè)計(jì)了基于ARM+CPLD的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，給出了風(fēng)速風(fēng)向的理論模型和計(jì)算方法，驗(yàn)證了一種解決在測(cè)量臨界角0°（360°）時(shí)所帶來角度誤差問題的算法，并提出了一種測(cè)量絕對(duì)風(fēng)速值的理論模型和具體實(shí)現(xiàn)，對(duì)風(fēng)能監(jiān)測(cè)與風(fēng)力發(fā)電有重要的參考意義。與傳統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量系統(tǒng)相比其具有以下優(yōu)點(diǎn):

1）本系統(tǒng)采用的是收發(fā)一體式超聲波傳感器，基本消除環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，且具有測(cè)量精度高、速度快、啟動(dòng)風(fēng)速為零、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn);

2）本系統(tǒng)采用ARM+CPLD為主控芯片，系統(tǒng)更為靈活、完備，功能更為強(qiáng)大，因此，本系統(tǒng)不僅檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確度高，而且還具有廣闊的升級(jí)空間;

3）本測(cè)量系統(tǒng)無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不存在磨損而帶來的老化、損壞問題，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性;

4）提出了一種測(cè)量絕對(duì)風(fēng)速的理論模型，可以更為精確地反映風(fēng)速風(fēng)向物理意義。

［1］ 陳 梅，洪 飛，李 鑫，等．風(fēng)速風(fēng)向傳感器在風(fēng)機(jī)控制中的應(yīng)用與研究［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（4）:38 －41．

［2］ 程 剛，林向真．超聲波風(fēng)速儀［J］．應(yīng)用聲學(xué)，1982，1（2）:28－30．

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［4］ 羅中興，魏毅立，施靜偉．基于DSP的超聲波測(cè)風(fēng)儀［J］．聲學(xué)與電子工程，2009（2）:39－41．

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