高中華，趙　湛，杜利東，方　震，吳少華

(1．中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100190；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100190)

0　引言

風(fēng)與人們的生活息息相關(guān)，準(zhǔn)確及時(shí)地獲得風(fēng)信息在農(nóng)作物耕作、工業(yè)風(fēng)道檢測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、船舶航行、風(fēng)力發(fā)電等方面有巨大的指導(dǎo)意義。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速儀，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀采用固態(tài)設(shè)計(jì)，沒有旋轉(zhuǎn)部件，不存在因磨損產(chǎn)生的故障和測(cè)量誤差，非常適合在惡劣的天氣條件下使用，且原則上啟動(dòng)風(fēng)速為0，沒有測(cè)量上限，是理想的測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的儀器[1]，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前在國內(nèi)科研單位的超聲測(cè)風(fēng)研究工作中，主要采用諧振頻率為40 kHz和200 kHz左右的超聲換能器。其中，利用40kHz超聲換能器制作的系統(tǒng)精度較低，往往通過采用高主頻的ARM、DSP等處理器和增大探頭間距來提高測(cè)量精度，這必然導(dǎo)致儀器結(jié)構(gòu)較大，外形笨重[2-3]。而采用更高中心頻率的超聲換能器意味著對(duì)處理器更高的硬件配置要求[4]，這無疑增加了系統(tǒng)的成本。文中從降低系統(tǒng)成本并簡(jiǎn)化信號(hào)處理算法出發(fā)，對(duì)超聲風(fēng)速風(fēng)向系統(tǒng)前端電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中驅(qū)動(dòng)端選用ICCL7667和脈沖變壓器聯(lián)合升壓提高了四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性，并突破傳統(tǒng)方法中對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)提取的思想，以著力突出接收信號(hào)的峰值點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的峰值檢測(cè)電路，提出了簡(jiǎn)單易行的峰值時(shí)間確定方法。檢波信號(hào)降低了接收信號(hào)中脈沖干擾的影響，具有良好的穩(wěn)定性。

1　超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)量原理

超聲波在空氣中傳播的時(shí)候，會(huì)和風(fēng)向上的氣流速度疊加，若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，它的速度會(huì)加快；反之，它的速度會(huì)變慢，因而可以通過風(fēng)速分量對(duì)超聲脈沖在固定路徑上兩個(gè)相反方向的輸送時(shí)間差進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。文中采用基于直接時(shí)差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量，其具有風(fēng)速測(cè)量與溫度無關(guān)、無需溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，是目前使用較廣泛的超聲波測(cè)量風(fēng)速的方法。

如圖1所示，設(shè)兩個(gè)超聲頭的間距為d，無風(fēng)時(shí)超聲波的傳播速度為c，風(fēng)速為v，超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)下的傳輸時(shí)間分別為t12和t21，則

圖1　超聲風(fēng)速測(cè)量原理

(1)

(2)

由式(1)和式(2)得：

(3)

用式(3)可測(cè)量出沿超聲換能器方向的風(fēng)速分量，為了測(cè)量出水平風(fēng)速，須采用兩組正交的探頭分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)相應(yīng)分量，合成后即可得到水平風(fēng)速[5]。

2　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制及核心處理器采用STM32F407，STM32F407基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，有1 M的FLASH存儲(chǔ)器及192 K的內(nèi)嵌SRAM，其主頻最高可達(dá)168 MHz，且在168MHz高速運(yùn)行時(shí)可達(dá)到210DMIPS的處理能力，其處理數(shù)據(jù)寬度大、時(shí)鐘頻率高、具有豐富的資源和高效的處理能力[6]。系統(tǒng)通過STM32F407控制超聲波收發(fā)模塊，當(dāng)其接收到控制指令后有序地進(jìn)行收發(fā)操作，接收信號(hào)在二次放大后經(jīng)四階帶通濾波器濾除噪聲及干擾，然后經(jīng)過峰值檢測(cè)模塊得到檢波信號(hào)，并將其返回處理器進(jìn)行AD采樣及數(shù)據(jù)處理，得出超聲波在不同路徑上的渡越時(shí)間，并求出風(fēng)速風(fēng)向值，最后由液晶屏將風(fēng)信息實(shí)時(shí)顯示出來。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2．1超聲波收發(fā)電路

系統(tǒng)采用NU200E12TR-1超聲換能器，其中心頻率為200 kHz，收發(fā)探頭的間距為20 cm．激勵(lì)超聲波探頭需要對(duì)應(yīng)中心頻率的高壓脈沖，常用方法有利用大功率管和變壓器產(chǎn)生激勵(lì)脈沖[7]、Boost升壓法[8]、利用開關(guān)管控制直流高壓[9]等。其中，利用大功率管和變壓器搭建的驅(qū)動(dòng)電路由于使用了較多儲(chǔ)能元件，易受外界的干擾；Boost升壓獲得的激勵(lì)脈沖占空比很小，驅(qū)動(dòng)效率低；而利用開關(guān)管控制直流高壓獲得激勵(lì)脈沖一方面存在安全隱患，另一方面不利于系統(tǒng)的小型化。系統(tǒng)將低壓脈沖信號(hào)經(jīng)ICL7667升壓到12 V，然后經(jīng)脈沖變壓器升壓獲得激勵(lì)脈沖信號(hào)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致性好。單路超聲收發(fā)電路如圖3所示。其中，脈沖變壓器采用φ16×9×5鐵氧體磁環(huán)作為骨架，初次級(jí)線圈繞徑分別為0.49 mm和0.31 mm，其匝數(shù)比為6∶50。最終實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值為80 V，對(duì)端探頭接收信號(hào)約為25 mV．

圖3　超聲收發(fā)電路

2．2隔離電路

為保證同一時(shí)刻只有一對(duì)超聲換能器進(jìn)行收發(fā)工作以避開相鄰換能器的影響，系統(tǒng)采用模擬開關(guān)對(duì)電路進(jìn)行隔離控制。CD4052是一個(gè)雙4選1的多路模擬選擇開關(guān)，系統(tǒng)發(fā)送端和接收端分別用一個(gè)CD4052進(jìn)行聯(lián)合控制，保證了超聲頭間的協(xié)調(diào)工作。另外，采用模擬開關(guān)對(duì)回波信號(hào)接收范圍進(jìn)行隔離控制，也有效避免了超聲驅(qū)動(dòng)脈沖所引起的干擾。

2．3放大濾波電路

信號(hào)經(jīng)過傳播過程中的衰減以及發(fā)射過程中能量的消耗，回波信號(hào)十分微弱。為了提高系統(tǒng)的精度，并充分利用STM32的ADC的量程，信號(hào)的接收部分需要將信號(hào)放大至伏量級(jí)。一級(jí)運(yùn)放的放大倍數(shù)一般不超過100倍(40 dB)，單級(jí)過高的放大倍數(shù)容易引起震蕩，其帶寬也要受到限制。本系統(tǒng)采用雙路低噪聲高速運(yùn)放OPA2227，對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行了兩級(jí)放大，放大后信號(hào)峰值約2 V左右。

由于放大信號(hào)中摻雜著噪聲干擾，因此有必要對(duì)其進(jìn)行濾波處理。系統(tǒng)采用集成有源濾波器MAX275設(shè)計(jì)了四階帶通濾波器。MAX275具有外接元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便和不受運(yùn)算放大器本身頻率特性影響等優(yōu)點(diǎn)；且由于沒有外接電容，而且是單片結(jié)構(gòu)，因而高頻場(chǎng)合時(shí)受分布電容的影響小，穩(wěn)定性較好[10]。查詢芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，結(jié)合超聲換能器中心頻率F0=200 kHz，選取品質(zhì)因素Q=12，HOBP=1，將FC接地時(shí)，RX/RY=1/5。根據(jù)以下公式即可求得相應(yīng)電阻值。信號(hào)放大及濾波電路如圖4所示。

(4)

RA4=RB4=RA2-5

(5)

(6)

(7)

2．4峰值檢測(cè)電路

為測(cè)出超聲信號(hào)的傳播時(shí)間，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確判斷接收信號(hào)到達(dá)時(shí)間，根據(jù)前輩以往的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，通常采用方法有使用高速計(jì)數(shù)器測(cè)量[3]、通過包絡(luò)信號(hào)峰值判斷[2]、求包絡(luò)信號(hào)重心[4]等方法。其中，使用高速計(jì)數(shù)器對(duì)計(jì)數(shù)頻率有極高要求，且信號(hào)到達(dá)時(shí)閾值電壓的判斷極易受環(huán)境的干擾。求包絡(luò)信號(hào)峰值需首先檢出接收信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)，傳統(tǒng)思路將接收信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換求出包絡(luò)信號(hào)，但由于包絡(luò)信號(hào)峰值處電壓變化頗為平緩，對(duì)AD要求極高，且由于采樣和傅里葉計(jì)算的復(fù)雜性，以及大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)計(jì)算，因此系統(tǒng)務(wù)必具有一定的延遲性。求包絡(luò)信號(hào)重心的方法有較高的穩(wěn)定度和抗干擾性，但其算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，對(duì)處理器要求很高。

在超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)中，目的是檢測(cè)出發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差，因此只要找到接收信號(hào)中易于分辨的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)即可。為此，系統(tǒng)選用檢波二極管設(shè)計(jì)了峰值檢測(cè)電路，電路簡(jiǎn)單且成本低廉。如圖5所示，A具有半波整流結(jié)構(gòu)；B組成電壓跟隨器，在檢波電阻電容網(wǎng)絡(luò)與輸出負(fù)載之間

圖4　放大及濾波電路

起緩沖作用；C為正反饋型低通濾波器，濾除檢波信號(hào)的高次諧波成分；D為電壓跟隨器，對(duì)濾波信號(hào)起緩沖作用。通過調(diào)節(jié)電阻電容值，力求檢波信號(hào)光滑且峰值點(diǎn)突出。

圖6所示為接收信號(hào)經(jīng)過峰值檢測(cè)后所得波形，硬件延遲引起的波形偏移通過時(shí)間補(bǔ)償進(jìn)行修正。從圖中可以看出，最終得到的波形效果很好，由于尖峰兩側(cè)波形幾乎對(duì)稱，因此可以通過取尖峰兩側(cè)等電位的時(shí)間的中點(diǎn)作為峰值時(shí)刻。

圖6　接收信號(hào)經(jīng)放大濾波后輸出及檢波輸出波形

3　結(jié)束語

文中對(duì)基于時(shí)差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量原理進(jìn)行了闡述，選擇STM32F407為控制核心給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)。相比其他檢測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過峰值檢測(cè)電路極大地提高了峰值點(diǎn)的識(shí)別度，待信號(hào)返回處理器進(jìn)行AD采樣后便即進(jìn)行峰值時(shí)間的確定，簡(jiǎn)化了信號(hào)處理算法，具有一定參考價(jià)值。

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