王 斌，陳玉林，張 超，張廣斌

（南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106）

風(fēng)矢層是最基本的氣象要素之一。也是大氣邊界層最基本的特征量之一。對風(fēng)速的測量有著重要的實(shí)用價(jià)值，例如現(xiàn)代艦船及機(jī)場、風(fēng)力發(fā)電站都裝有風(fēng)速測量裝置。當(dāng)前所使用的風(fēng)速儀種類繁多，工作原理和性能也各不相同，其中使用較多的是機(jī)械式風(fēng)速儀，例如常用的風(fēng)杯式和螺旋槳式風(fēng)速儀。但由于機(jī)械式風(fēng)速儀的測量部分是旋轉(zhuǎn)部件，在強(qiáng)風(fēng)和長期暴露于室外的工作環(huán)境下容易磨損，而且存在“過高效應(yīng)”[1]，造成測量精度不高，使用條件受到制約。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的風(fēng)速風(fēng)向測量方式，如激光風(fēng)速儀、超聲波風(fēng)速儀、高集成度的MEMS風(fēng)速儀等等，這些新型風(fēng)速儀體積較小，無機(jī)械部件，壽命長，而且有的精度很高，正在逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)速儀，應(yīng)用越來越廣泛。

超聲波風(fēng)速儀是新型風(fēng)速儀中性能較為突出的一種，精度普遍為0.1m／s，不僅結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用，而且能準(zhǔn)確測出自然風(fēng)中陣風(fēng)脈動(dòng)的高頻成分。較之傳統(tǒng)的機(jī)械式及基于激光多普勒、空速管、熱線等技術(shù)的測量方法，基于時(shí)差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量技術(shù)具有無啟動(dòng)風(fēng)速、反應(yīng)速度快、量程廣、盲區(qū)小、線性度好、精度高和無機(jī)械磨損、易于安裝維護(hù)、不需校正等優(yōu)點(diǎn)[2]。

目前市場上銷售的成熟產(chǎn)品有芬蘭Vaisala公司的WS425和英國的GILL等型號，都包括二維和三維測風(fēng)向產(chǎn)品，有的還能構(gòu)建無人值守氣象站。目前國內(nèi)類似產(chǎn)品只有近年的幾例，但性能均有很大缺陷，且價(jià)格不菲[3]。中介紹的測速測向儀具有測量精度高（理論值為0.03～0.5），采用單向測量技術(shù)，成本低廉，功能拓展方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 測速測向儀工作原理

1.1 基本工作原理

超聲波風(fēng)速測量技術(shù)主要的原理是，利用超聲波在順風(fēng)路徑和逆風(fēng)路徑上的傳播速度的不同，檢測出兩個(gè)路徑的傳播時(shí)間或者時(shí)間差來獲得風(fēng)速信息，將反饋信息以LCD顯示和語音播報(bào)的形式反饋給外界，并響應(yīng)輸入信息進(jìn)行運(yùn)算。測量的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確測量超聲波信號的到達(dá)時(shí)間。此外為了實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向采樣，需要系統(tǒng)具有較強(qiáng)的計(jì)算和處理能力。采用MSP430單片機(jī)，利用豐富的片上資源，在體積、功耗和速度等性能方面具有顯著優(yōu)勢。

1.2 基于時(shí)差法的測量原理

根據(jù)超聲波在靜態(tài)空氣中的傳播特性，及對弱超聲波條件下風(fēng)對聲速的影響做泰勒分析

可知，在聲速近似為340m／s風(fēng)速小于30m／s的情況下，風(fēng)對聲速的影響近似成線性關(guān)系[4]。因此，超聲波在空氣中傳播固定距離時(shí)，順風(fēng)逆風(fēng)傳播存在一個(gè)時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差與待測風(fēng)速在低速情況下具有近似線性關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中，選用一對超聲波收發(fā)一體換能器，保證距離不變，以固定頻率發(fā)射超聲波，測量兩個(gè)相對方向上的超聲波到達(dá)時(shí)間，由此得到順風(fēng)或者逆風(fēng)的傳播速度，經(jīng)過程序換算即可得到風(fēng)速值。見圖1，用超聲脈沖激勵(lì)超聲探頭（換能器S）向外輻射超聲波，同時(shí)換能器N接收發(fā)射過來的超聲波脈沖。設(shè)空氣中聲速為c，風(fēng)速為v，一組換能器軸線與風(fēng)向的夾角為θ，換能器的距離為L。在有風(fēng)條件下，超聲波在制定矢量路徑上的傳播時(shí)間為：

通過檢測或估計(jì)從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時(shí)間t，利用公式：

在聲速已知的情況下，就能夠測量出風(fēng)速在傳感器軸向方向的速度分量。測出x，y，z軸的分量再引入根據(jù)MAG3110傳感器獲得的地磁三軸地磁數(shù)據(jù)的出的指南角度即可得到風(fēng)向信息。

圖1 風(fēng)速測量原理圖

在超聲的傳播過程中，許多因素會(huì)對傳播速度造成影響，壓強(qiáng)、介質(zhì)密度、風(fēng)向、溫度等因素都會(huì)通過影響速度進(jìn)而影響距離測量，一般工程上只考慮溫度影響，近似有c＝331.4＋0.607T。由于本儀器對靈敏度要求較高，因此在選擇測量長度L時(shí)還應(yīng)考慮超聲波的強(qiáng)度A與L的關(guān)系：A＝A0e-αL，其中α是衰減因子[5]。因此我們把探頭之間的距離設(shè)計(jì)為40cm左右。

1.3 參數(shù)測量

利用MSP430時(shí)鐘頻率可設(shè)的特點(diǎn)，采用計(jì)量精度為0.125ns的定時(shí)器，在理論上講測量精度由普遍的0.1m／s提高到0.03～0.05m／s。為了減少每次測量過程中的誤差，避免測量失真，在一次測量中使換能器發(fā)射八段等時(shí)差的脈沖，計(jì)算八個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)間的平均值。

1.4 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。采用MSP430作為核心處理器。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

MSP430通過I0接口控制超聲波驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而發(fā)射超聲波，當(dāng)接收探頭接受到超聲波信號，又會(huì)通過超聲波驅(qū)動(dòng)模塊反饋給MSP430，于是得到傳播時(shí)間，再加上溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，之后經(jīng)過軟件計(jì)算，分別連接LCD顯示和語音芯片，通過兩種方式輸出所得結(jié)果[6]。

1.5 系統(tǒng)軟件模塊

系統(tǒng)測量的總流程圖如圖所示。當(dāng)接收到MSP430開始測量的命令之后，S1發(fā)射信號，S2接收，將獲得的時(shí)間數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)組X（東西方向）。然后由S3發(fā)射，S4接收，將得到數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)組Y（南北方向）。重復(fù)10次，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計(jì)算出兩個(gè)垂直方向的風(fēng)速和方向信息。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容包括對10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉最大和最小的4個(gè)數(shù)據(jù)。對中間的6個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。最后的數(shù)據(jù)經(jīng)過補(bǔ)償和計(jì)算從而得到風(fēng)速。正交方向上的風(fēng)速經(jīng)過三角計(jì)算，引入根據(jù)MAG3110傳感器獲得的地磁三軸地磁數(shù)據(jù)的出的指南角度，合成水平面上的風(fēng)速和風(fēng)向。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 單片機(jī)模塊

MSP430系列單片機(jī)，見圖3，是美國德州儀器（T1）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實(shí)際應(yīng)用多個(gè)不同功電路、數(shù)字電微處理器集芯片上，以提需求，將能的模擬路模塊和成在一個(gè)供“單片機(jī)”解決方案。該系列單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、方便高效的開發(fā)環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖3 MSP430單片機(jī)

2.2 超聲波驅(qū)動(dòng)模塊

超聲波驅(qū)動(dòng)模塊采用I0TRIG觸發(fā)，給予至少10us的高電平信號；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號返回[7]。超聲波時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 超聲波時(shí)序圖

超聲波驅(qū)動(dòng)模塊如圖5所示：

圖5 超聲波驅(qū)動(dòng)模塊

2.3 DS18B20溫度傳感模塊

由于超聲波的傳播速度跟溫度有關(guān)，所以系統(tǒng)需要添加溫度傳感模塊，并利用溫度數(shù)據(jù)對所得結(jié)果進(jìn)行修正。溫度傳感模塊采用DSl8B20溫度傳感器，通過I0口連接MSP430。電路原理圖如圖6所示。

圖6 電路原理圖

2.4 LCD液晶顯示屏模塊

系統(tǒng)的輸出結(jié)果通過LCDl2864顯示屏顯示。帶中文字庫的128×64是一種具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個(gè)16.16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。LCD12864具有20個(gè)管腳，其與MSP430連接的電路原理圖如圖7所示。

圖7 LCD12864與MSP430連接的電路原理圖

2.5 電源穩(wěn)壓及電壓轉(zhuǎn)換模塊

為了給MSP430芯片以及其他用電設(shè)備提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，需要電源穩(wěn)壓模塊。但由于普通芯片或者外圍設(shè)備的工作電壓為5V，而MSP430所需的電壓為3.3V，所以系統(tǒng)需要單獨(dú)為MSP430芯片添加電壓轉(zhuǎn)換模塊。具體的電路原理圖如圖8所示。

圖8 電壓轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖

圖9 ISD1730電路原理圖

2.6 ISD語音播報(bào)模塊

ISD1730是ISD公司最新推出的單片高音質(zhì)語音錄放電路，該芯片提供多項(xiàng)創(chuàng)新功能，包括多信息管理系統(tǒng)，新信息提示，雙運(yùn)作模式，以及可定制的信息操作指示音效。芯片內(nèi)部包含有自動(dòng)增益控制、麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)線路、振蕩器與內(nèi)存等全方位整合系統(tǒng)功能[8]。具體的電路原理圖如圖9所示。

2.7 MAG3110傳感器

MAG3110是由飛思卡爾半導(dǎo)體推出的首款磁力計(jì)，最新開發(fā)的感應(yīng)器裝置，專門用于輔助GPS定位、慣性導(dǎo)航、加強(qiáng)電子羅盤等精準(zhǔn)度的芯片產(chǎn)品。MAG3110是一個(gè)緊湊型的三軸加速度感應(yīng)器芯片，采用了小尺寸、低功耗設(shè)計(jì)，支持兩種接口類型接入目標(biāo)板：排針或排座，并支持I2C總線級聯(lián)。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析和參數(shù)修正

3.1 儀器測量誤差的來源

本儀器采用時(shí)差法測量風(fēng)速矢量信息，對測量原理進(jìn)行分析可知，風(fēng)速信息與溫度、L、t1、t2均有關(guān)。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證與查閱資料，采用單向時(shí)差法進(jìn)行測量，測量誤差主要來自：

（1）周圍環(huán)境噪聲和超聲干擾，主要是反射造成的回波的影響；

（2）換能器安裝位置誤差，會(huì)直接影響到L的測量精度；

（3）陣型設(shè)計(jì)和換能器外形對風(fēng)場的影響；

（4）超聲信號在空氣中的傳播衰減，及溫度變化，會(huì)影響到超聲波傳播時(shí)間的測量；

（5）換能器匹配和電路引入的傳播時(shí)間測量誤差；

（6）信號處理算法對傳播時(shí)間測量精度的影響。

在本儀器的數(shù)據(jù)采集過程中發(fā)現(xiàn)，由于采用的硬件配置較低，1）、2）、3）為最大的誤差來源，在3種誤差同時(shí)作用下，綜合誤差最高達(dá)到（＋-）0.5m／s。因此，為控制誤差，儀器應(yīng)該在避免充滿障礙物和超聲信息的大尺度風(fēng)場環(huán)境下工作，并采用剛性材料固定探頭。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置

3.2 測試方案及參考分析

為測試儀器性能，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正從而提高測量精度，采用了相對運(yùn)動(dòng)的辦法獲得穩(wěn)定風(fēng)場分別在低速（0～5m／s），中速（5～20m／s）進(jìn)行測量分析。其中在低速段，在封閉室內(nèi)，采用導(dǎo)軌上小車載運(yùn)探頭進(jìn)行不同速度的勻速直線運(yùn)動(dòng)；在中速段采用汽車車頂載運(yùn)以不同速度運(yùn)行驗(yàn)證，見圖10。因?yàn)閮x器探頭為手工制作，所以不能承受較大風(fēng)力，同時(shí)高速恒流風(fēng)場很難獲得，所以沒有進(jìn)行測量。

對測量數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件進(jìn)行處理可得：

圖11 0～5 m范圍測試結(jié)果

由圖11可知，當(dāng)定義初始風(fēng)速為V0＝-1.014 5m／s時(shí)，測量結(jié)果與參照風(fēng)速近似成線性關(guān)系，平均誤差0.040 9m／s。

由圖12可知，當(dāng)定義初始風(fēng)速為V0＝-2.491 9m／s時(shí)，測量結(jié)果與參照風(fēng)速仍可近似成線性關(guān)系，但平均誤差較大達(dá)到1.745 5m／s。經(jīng)分析，除了3.1中的因素外，天氣原因（陰，18℃，有間斷微風(fēng)）也加大了誤差。

4 應(yīng)用前景及改進(jìn)方案

4.1 同類儀器性能對比及應(yīng)用分析

將同類儀器性能對比，見表1。

表1 儀器性能對比

基于時(shí)差法的超聲波測速測適于能夠測定大尺度稀薄流體矢量信息。相對于傳統(tǒng)的測量方式，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用單向時(shí)差，在測量流體強(qiáng)度信息的同時(shí)可以測量其方向信息；

（2）測量部位不需要進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，無磨損，可靠性好；

（3）可以測量大尺度范圍的流體矢量信息，測量數(shù)據(jù)價(jià)值性高；（4）能耗低，具有工作／待機(jī)兩種工作模式；（5）測量范圍寬，不需要啟動(dòng)風(fēng)速測量結(jié)果經(jīng)計(jì)算；

（6）處理可輸出瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向值、平均風(fēng)速風(fēng)向值。

且由于其功率小，可采用太陽能供電，可廣泛地應(yīng)用于海航、氣象、民航、公路、建筑、能源等行業(yè)。以能源行業(yè)為例，可以在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳軸尾部裝配超聲波測速測向儀，根據(jù)測得的風(fēng)向風(fēng)速信息驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)整槳面至最佳方向，提高風(fēng)能利用效率。

4.2 不足和改進(jìn)方案

雖然超聲波測速測向儀相比于傳統(tǒng)的測量方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著對測量環(huán)境、器型設(shè)計(jì)、加工要求高等缺點(diǎn)。例如，一般的3D聲學(xué)風(fēng)速表在雨天條件下使用時(shí)，如果傳感器上有水時(shí)就會(huì)改變其聲波傳播路徑長度而使得測量值變得不可靠。其次，分析超聲波的傳輸特性和大氣中的雜質(zhì)、大氣環(huán)境對風(fēng)速風(fēng)向測量的影響對超聲測風(fēng)儀推廣使用和設(shè)計(jì)也是極其重要的[9－10]。

因此對本儀器的改進(jìn)應(yīng)著重在以下幾點(diǎn)：使用高性能的探頭，提高傳感器的工藝水平，減少器件結(jié)構(gòu)和探頭帶來的誤差；加入溫度自控制模塊和無線反饋模塊，提高對抗惡劣環(huán)境的能力；優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和算法，提高儀器穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

綜上所述，超聲波風(fēng)速儀是未來風(fēng)速測量儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前國外市場基本上已經(jīng)淘汰了機(jī)械式風(fēng)速測量設(shè)備，取而代之的是基于超聲波的風(fēng)速儀。超聲波風(fēng)速儀與傳統(tǒng)的測風(fēng)儀相比穩(wěn)定性、壽命、精度提高很多，不受自然條件限制。而且可進(jìn)行多點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向測量，微控自動(dòng)測量，增大了測量范圍，同時(shí)減少了設(shè)備能耗，更重要的是能在無人管理下長期工作。因此被認(rèn)為是理想測量工具。文章中所介紹的基于MSP430超聲波測風(fēng)速儀具有反應(yīng)速度快、量程廣、盲區(qū)小、線性度好、精度高和易于安裝維護(hù)、不需校正等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示及一般精度的風(fēng)況信息測量。

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