郭顏萍，張志偉，崔天剛，王東明

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

螺旋槳式測(cè)風(fēng)傳感器工作穩(wěn)定可靠，測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度滿足常規(guī)要求，用于測(cè)風(fēng)已經(jīng)多年，在各類船舶、海上和陸地氣象臺(tái)站應(yīng)用非常普遍。測(cè)風(fēng)傳感器一般安裝于室外，長(zhǎng)期經(jīng)受降水、結(jié)冰、風(fēng)沙的侵襲，再者轉(zhuǎn)動(dòng)部分的機(jī)械磨損、腐蝕也會(huì)使測(cè)風(fēng)傳感器產(chǎn)生誤差[1]，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，運(yùn)行使用中的測(cè)風(fēng)傳感器必須進(jìn)行周期性的檢測(cè)。目前常用的方法是將測(cè)風(fēng)傳感器置于符合標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)洞中進(jìn)行檢測(cè)[2]，但是這種方法必須將測(cè)風(fēng)傳感器從安裝地點(diǎn)長(zhǎng)途運(yùn)輸至風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，耗時(shí)費(fèi)力而且價(jià)格昂貴。因此，有必要研制一套方便快捷的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，以解決螺旋槳式測(cè)風(fēng)傳感器進(jìn)行大批量、周期性檢測(cè)的需求。

1 總體設(shè)計(jì)與工作原理

圖1 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of automatic detection system

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示，由嵌入式系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、編碼器、蝸桿和角度盤等部分組成。風(fēng)速部件檢測(cè)原理：螺旋槳式測(cè)風(fēng)傳感器隨風(fēng)吹動(dòng)，其風(fēng)速轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)和輸出的脈沖信號(hào)頻率與風(fēng)速大小基本成正比，在1～70 m/s風(fēng)速測(cè)量范圍內(nèi)有較好的線性度。根據(jù)這一原理，利用一個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)速轉(zhuǎn)軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，由嵌入式系統(tǒng)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)通過(guò)編碼器將實(shí)時(shí)速度反饋給驅(qū)動(dòng)器，形成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采集電路得到測(cè)風(fēng)傳感器輸出的實(shí)際風(fēng)速值，比較風(fēng)速設(shè)定值和實(shí)際值，即可得到測(cè)風(fēng)傳感器風(fēng)速部件的檢測(cè)結(jié)果。風(fēng)向部件檢測(cè)工作原理：測(cè)風(fēng)傳感器尾翼隨風(fēng)向變化轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)光電碼盤電路輸出格雷碼，或者帶動(dòng)環(huán)形滑動(dòng)電位器電路輸出電壓，可測(cè)出0°～360°的風(fēng)向值。根據(jù)這一原理，將測(cè)風(fēng)傳感器固定在角度盤中央，尾翼固定不動(dòng)，伺服電機(jī)通過(guò)蝸桿傳動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)蝸輪角度盤同軸同角度旋轉(zhuǎn)，使傳感器尾翼與蝸輪角度盤作相對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)[3]，其步距角由嵌入式系統(tǒng)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)定，電機(jī)通過(guò)編碼器將實(shí)時(shí)位置反饋給驅(qū)動(dòng)器，形成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)一周，比較角度盤示值和測(cè)風(fēng)傳感器輸出的實(shí)際值，即可得到測(cè)風(fēng)傳感器風(fēng)向部件的檢測(cè)結(jié)果。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)采用基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440作為中央控制器，其內(nèi)部集成了微處理器和常用外圍組件，具有較高的性價(jià)比。以S3C2440微處理器為核心，設(shè)計(jì)的硬件電路框圖如圖2所示。存儲(chǔ)器分為64M的FLASH和的64M SDRAM，F(xiàn)LASH用于存放程序代碼和常量表，SDRAM用做程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)。電源轉(zhuǎn)換電路完成5 V到3.3 V，3.3 V到1.8 V和1.2 V電壓的轉(zhuǎn)換，提供內(nèi)核和外圍擴(kuò)展電路所需工作電壓[4]。JTAG接口用于仿真調(diào)試，鍵盤采用4×4矩陣式接口電路，SD卡接口采用S3C2440本身的SD卡接口控制器構(gòu)建。液晶屏接口和RJ45以太網(wǎng)接口都需要通過(guò)外接相應(yīng)的控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Hardware block diagram of the embedded system

2.2 檢測(cè)單元

風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)單元包括RS232驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)控制器、伺服電機(jī)、繼電器、信號(hào)采集電路，電路框圖如圖3所示。為了防止外界干擾對(duì)嵌入式系統(tǒng)的損壞，利用光電隔離芯片將串口驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)采集電路與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離。檢測(cè)單元對(duì)電機(jī)的要求是精度高、轉(zhuǎn)矩高、可靠性好，能實(shí)時(shí)反饋?zhàn)陨磙D(zhuǎn)速和位置信息，因此選擇自帶編碼器的無(wú)刷直流伺服電機(jī)和配套的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[5-7]。螺旋槳式測(cè)風(fēng)傳感器的風(fēng)速輸出一般為脈沖或串口形式，據(jù)此設(shè)計(jì)了多種風(fēng)速信號(hào)采集電路，風(fēng)向輸出一般為格雷碼、電壓或串口形式，據(jù)此設(shè)計(jì)了多種風(fēng)向信號(hào)采集電路。操作人員通過(guò)屏幕設(shè)定傳感器型號(hào)參數(shù)之后，系統(tǒng)軟件控制繼電器自動(dòng)與對(duì)應(yīng)的風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)采集電路接通。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖3 檢測(cè)單元硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Hardware block diagram of detecting unit

系統(tǒng)應(yīng)用軟件基于嵌入式Linux平臺(tái)，軟件構(gòu)成分成以下4個(gè)部分：引導(dǎo)加載程序、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序。應(yīng)用程序主要完成的功能包括提供人性化的彩色液晶顯示界面、實(shí)時(shí)響應(yīng)按鍵操作、檢測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向、SD卡存儲(chǔ)、以太網(wǎng)通信等。為了滿足風(fēng)速和風(fēng)向同時(shí)檢測(cè)的需求，軟件采用多線程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)子線程的程序流程框圖如圖4所示。風(fēng)速檢測(cè)子線程中，按照GB/T 24559-2009海洋螺旋槳式風(fēng)向風(fēng)速計(jì)[8]中對(duì)風(fēng)速檢測(cè)點(diǎn)的要求，以及該型號(hào)傳感器的參數(shù)，逐點(diǎn)設(shè)定測(cè)風(fēng)傳感器風(fēng)速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定后采樣測(cè)風(fēng)傳感器輸出的實(shí)際風(fēng)速值。風(fēng)向檢測(cè)子線程中，首先根據(jù)測(cè)風(fēng)傳感器風(fēng)向分辨率等參數(shù)指標(biāo)設(shè)定伺服電機(jī)的步距角和風(fēng)向檢測(cè)點(diǎn)n，然后每次按照步距角控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，共計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)n次，采樣測(cè)風(fēng)傳感器輸出的實(shí)際風(fēng)向值，并送給顯示屏進(jìn)行顯示。所有檢測(cè)點(diǎn)完成后，數(shù)據(jù)處理程序模塊將實(shí)測(cè)值與設(shè)定值比較，如果兩者的差值在允許誤差范圍內(nèi)，則判定檢測(cè)結(jié)果合格，否則如果兩者差值超過(guò)允許誤差，則判定檢測(cè)結(jié)果不合格。

圖4 風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)子線程Fig.4 Child thread of detecting for wind speed and direction

4 測(cè)試運(yùn)行

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行連接如圖5所示。檢測(cè)之前，需要進(jìn)行風(fēng)速轉(zhuǎn)軸夾具固定、風(fēng)向角度對(duì)零等一些準(zhǔn)備工作。卸下緊固螺帽和螺旋槳，將伺服電機(jī)A通過(guò)聯(lián)軸器與風(fēng)速轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，通過(guò)專用夾具套入測(cè)風(fēng)傳感器機(jī)身并固定。角度盤采用鋁材制造，角度盤的圓周上均勻分布有360個(gè)蝸輪齒，并與蝸桿嚙合良好。檢測(cè)之前，把測(cè)風(fēng)傳感器安裝在角度盤中心軸上，測(cè)風(fēng)傳感器尾翼通過(guò)支架固定不動(dòng)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理終端，在人機(jī)交互界面上選擇參數(shù)設(shè)置，輸入測(cè)風(fēng)傳感器尾翼當(dāng)前所對(duì)的角度值，繼而選擇風(fēng)向?qū)α?，軟件控制伺服電機(jī)B帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)角度盤繞中心軸旋轉(zhuǎn)，使傳感器機(jī)身投影線與角度盤上0°～180°方向一致，且傳感器尾翼對(duì)準(zhǔn)0°方向。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行連接圖Fig.5 Connect drawing of the system working

準(zhǔn)備工作完成以后，在數(shù)據(jù)處理終端人機(jī)交互界面上，選擇風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)功能后，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)開始對(duì)測(cè)風(fēng)傳感器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完畢顯示屏顯示檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。應(yīng)用該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)某臺(tái)測(cè)風(fēng)傳感器，數(shù)據(jù)處理終端顯示的風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.6 Test data of wind speed and direction

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)設(shè)計(jì)定型后的螺旋槳式測(cè)風(fēng)傳感器，研發(fā)了一種拆卸方便、操作簡(jiǎn)單的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，用于該類傳感器的出廠檢測(cè)、運(yùn)行使用中的周期性檢測(cè)等試驗(yàn)。主要的創(chuàng)新點(diǎn)如下:

1）系統(tǒng)涵蓋了螺旋槳式測(cè)風(fēng)傳感器的多種信號(hào)輸出形式，采樣電路通過(guò)繼電器自動(dòng)接通，可對(duì)風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)效率；

2）利用蝸桿蝸輪模型構(gòu)建風(fēng)向角度盤，采用伺服電機(jī)控制蝸桿傳動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)蝸輪角度盤轉(zhuǎn)動(dòng)的方法，使風(fēng)向測(cè)量精度精確到1度；

3）檢測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)SD卡保存在本地，也可通過(guò)以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器；

4）系統(tǒng)安裝拆卸方便、操作簡(jiǎn)單，大大降低了檢測(cè)成本，具有較高推廣應(yīng)用價(jià)值。

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