陶明明 李金東

摘要：風(fēng)向風(fēng)速儀是船舶重要的導(dǎo)航設(shè)備之一，能夠?qū)ε灤峁┫鄬?duì)和真風(fēng)向風(fēng)速信息數(shù)據(jù)，直接影響艦船的航行安全。而風(fēng)向風(fēng)速傳感器是氣象設(shè)備要素的核心，對(duì)風(fēng)向風(fēng)速信息采集和測(cè)量計(jì)算的重要組成部分。該文針對(duì)采用超聲波風(fēng)向風(fēng)速傳感器技術(shù)進(jìn)行了研究，并利用NI推出的Microwindows圖形系統(tǒng)以及基于Cotex-M0核心的飛思卡爾單片機(jī)MKL05Z芯片來(lái)模擬并研究實(shí)現(xiàn)風(fēng)向風(fēng)速傳感器系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)向風(fēng)速傳感器；Microwindows；MKL05Z；超聲波

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）04-0256-02

Research on Wind Direction and Wind Speed Sensor Based on Microwindows

TAO Ming-ming， LI Jin-dong

（Navy Maritime Security Repair Factory， Qingdao 266071， China）

Abstract：Wind direction and wind speed instrument is one of the important navigation equipment， which can provide relative and true wind speed information data to the ship， which will directly affect the safety of navigation. The wind direction and wind speed sensor is the core of meteorological equipment， which is an important part of the information collection and measurement of wind direction and wind speed. This paper aimed at the ultrasonic wind speed and direction sensor technology for the study， developed by NI Microwindows virtual instrument and the study of wind direction and wind speed sensor system Based on Cotex-M0 core of the fly think of Carl microcontroller MKL05Z chip.

Key words： wind direction and wind speed sensor； Microwindows； MKL05Z； ultrasonic

風(fēng)向風(fēng)速環(huán)境要素是船舶航行中重要的導(dǎo)航信息，其測(cè)量的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度直接關(guān)系到艦船航行的安全，并且很多導(dǎo)航設(shè)備均需依賴(lài)于其提供的信息。風(fēng)向風(fēng)速傳感器用于船舶氣象儀，利用儀器的控制和信息交互功能對(duì)風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。因此本文設(shè)計(jì)研究了一種基于超聲波測(cè)量的風(fēng)向風(fēng)速傳感器系統(tǒng)，不僅能夠獲取風(fēng)向風(fēng)速信息，并且還能提供實(shí)時(shí)操作觀測(cè)界面，達(dá)到適應(yīng)艦船智能化裝備的目的。本系統(tǒng)采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，滿足了氣象要素的測(cè)量要求。

1 風(fēng)向風(fēng)速傳感器原理

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播、受到噪聲干擾小等特點(diǎn)，能夠碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波。本系統(tǒng)主要采用了兩對(duì)頻率為120KHz探頭，分別固定安裝于相同距離的東西南北四個(gè)方向角上，即在一條線路上對(duì)應(yīng)于其中一個(gè)探頭發(fā)射，一個(gè)探頭用于接收。通過(guò)加載在探頭兩端正、逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高頻聲能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收[1]。

系統(tǒng)采用時(shí)差法進(jìn)行風(fēng)向風(fēng)速的計(jì)算。超聲風(fēng)速儀通過(guò)風(fēng)速分量對(duì)聲脈沖在固定的路徑上， 兩個(gè)相反方向的輸送時(shí)間差進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。本文所研究的超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器利用分別處于東西南北四個(gè)方向上的四個(gè)超聲波探頭，每對(duì)探頭之間間隔相同的距離，并測(cè)量超聲波從東發(fā)射到西所用的時(shí)間tEW，從西發(fā)射到東所用的時(shí)間tWE。由于超聲波傳感器是固定的，因此超聲波每次的傳輸距離 d是已知的。由于超聲波在靜止空氣中傳播的速度為c值固定，由tEW和 tWE 的差以及 d可以計(jì)算出東西方向的風(fēng)速值vWE；同理可以 測(cè)得 tSN和 tNS，進(jìn)而計(jì)算出南北方向的風(fēng)速值 vNS。vWE 和 vNS 進(jìn)行矢量合成即為最終的風(fēng)速值，由 vWE 和vNS 的比值可判斷出風(fēng)向。探頭之間換算如下：

如圖1所示，1，2為一對(duì)收發(fā)一體式低功率高頻超聲波換能器，T1為換能器1發(fā)射到2的傳輸時(shí)間，聲速為c，風(fēng)速為v，可以得到如下公式：

（1）

（2）

可以推算得到：

（3）

（4）

這種測(cè)試方法間接消除了溫度、濕度、大氣壓力對(duì)超聲波測(cè)風(fēng)的影響，由（3）、（4）式可以得到風(fēng)速和聲速。同理利用此方法，可以求得另外坐標(biāo)軸系中的風(fēng)矢量，從而可以求出兩個(gè)探頭之間的風(fēng)的相對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向。

為取得真風(fēng)速真風(fēng)向，需要進(jìn)行矢量合成運(yùn)算，設(shè)定風(fēng)傳感器的指北標(biāo)志指向船頭方向，以船的航向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系。真風(fēng)速定義為相對(duì)風(fēng)速和船速的矢量之和，而真風(fēng)向定義為是真風(fēng)相對(duì)船頭的風(fēng)向與船的航向之和。

Y = 90 - D

a = S *（ cos Y）

b' = S *（ sin Y）

b = b' - SS

TS =

TD = arctag （b/a） + SH

其中：S 相對(duì)風(fēng)速，D相對(duì)風(fēng)向，TS真風(fēng)速，TD真風(fēng)向，SS船的航速，SH船的航向

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由飛思卡爾基于Cotex-M0架構(gòu)的MKL05Z單片機(jī)和信號(hào)處理電路構(gòu)成[2]。其中信號(hào)處理電路將取得的超聲波回波包絡(luò)通過(guò)放大、濾波轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能接收的數(shù)字信號(hào)，并傳輸入MKL05Z進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，并將最后的數(shù)據(jù)傳輸至以Microwindows為平臺(tái)的人工交互界面[3]。

放大濾波電路的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微小信號(hào)測(cè)量的核心，因此本設(shè)備采用了OP07放大芯片。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以不需要額外的調(diào)零措施[4]。并且OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開(kāi)環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。由于從超聲波傳感器接收到的信號(hào)是非常微弱的超聲波信號(hào)，因此必須對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選通的接收信號(hào)經(jīng)一級(jí)OP07A運(yùn)放電路進(jìn)行放大，放大幅度約為20dB；信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后進(jìn)入濾波電路，濾波的同時(shí)也對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次放大，這次放大的幅度也是約20dB，因此電路總增益為40 dB，放大濾波電路如圖2所示：

由于系統(tǒng)測(cè)量的是開(kāi)始信號(hào)和結(jié)束信號(hào)之間的時(shí)間差，要求上升沿盡量的陡，所以必須使用高速比較器。因此，將經(jīng)過(guò)二次放大后的包絡(luò)信號(hào)經(jīng)比較器AD790進(jìn)行電壓比較，輸出數(shù)字方波信號(hào)。系統(tǒng)采用了高速比較器AD790，最大延遲時(shí)間為45納秒，能夠滿足精度要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先初始化單片機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)控制芯片進(jìn)行初始化。單片機(jī)上電會(huì)自動(dòng)運(yùn)行處在FLASH存儲(chǔ)器上零地址處所拷貝的異常向量表并執(zhí)行指令，之后對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)置并對(duì)RAM內(nèi)存空間進(jìn)行映射規(guī)劃，設(shè)置堆棧，然后引導(dǎo)代碼將運(yùn)行軟件拷貝到RAM空間進(jìn)行運(yùn)行[5]。之后軟件接管單片機(jī)和信號(hào)電路的控制，選通模擬開(kāi)關(guān)，對(duì)op07芯片上電控制，并導(dǎo)通控制輸入AD790的比較電壓，等待接收脈沖產(chǎn)生中斷對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)傳聲中斷溢出將時(shí)間信息錄入緩沖區(qū)并導(dǎo)入公式計(jì)算，每次數(shù)據(jù)的測(cè)量取十組，之后取平均值達(dá)到數(shù)據(jù)均勻變換，消除偶然脈沖誤差。

經(jīng)過(guò)上述對(duì)數(shù)據(jù)的控制處理，利用公式計(jì)算得到真風(fēng)向真風(fēng)速，通過(guò)RS232接口傳輸進(jìn)入上層Microwindows圖形系統(tǒng)接口進(jìn)行人機(jī)交互[6]。

圖形系統(tǒng)提供了友好的操作界面和控制方式，并提供了完整的工具集和相應(yīng)的應(yīng)用程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的直觀控制。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了nicrowindows圖形系統(tǒng)與在其之上的TinyWidget控件集。兩者基于X窗口系統(tǒng)，能夠保證在對(duì)設(shè)備基本操作的基礎(chǔ)之上，占用較少資源，可以提供給用戶(hù)良好的界面和方便的操作。

系統(tǒng)采用了服務(wù)器與客服端的處理模式。其中底層提供對(duì)顯示界面、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等外接控制設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)操作系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)信息傳遞至應(yīng)用程序；中間層為一個(gè)與設(shè)備無(wú)關(guān)的圖形引擎，其程序常駐內(nèi)存的服務(wù)器端，基于底層驅(qū)動(dòng)之上提供建立線程、圖形繪制、字體與文本的管理等功能；窗口API與控件層利用圖形引擎的功能來(lái)進(jìn)行窗口的管理、設(shè)計(jì)、發(fā)送繪制請(qǐng)求以及對(duì)事件的處理，事件處理包括風(fēng)向風(fēng)速顯示、溫濕度顯示、參數(shù)裝訂功能。程序首先使用GrOpen（）初始化圖形系統(tǒng)Nano-X庫(kù)，并且和服務(wù)器端的圖形引擎建立連接，同時(shí)調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化顯示儀、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等I/O設(shè)備；然后調(diào)用GrNewGC創(chuàng)建圖形句柄GC，分配一個(gè)圖形上下文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并建立圖形窗口并設(shè)置窗口的各項(xiàng)屬性；在Nano-X中必須告訴窗口哪些事件需要處理，例如是對(duì)風(fēng)向風(fēng)速的計(jì)算或者是對(duì)設(shè)備的檢測(cè)等任務(wù)，都使用GrSelectEvevts函數(shù)進(jìn)行事件的注冊(cè)與選擇；最后使用GrMapWindow函數(shù)顯示窗口并調(diào)用GrMainLoop函數(shù)讓主程序進(jìn)入消息處理循環(huán)。在事件發(fā)生之后，系統(tǒng)每接收到一個(gè)消息就會(huì)喚醒對(duì)應(yīng)的注冊(cè)事件處理函數(shù)來(lái)對(duì)消息進(jìn)行處理，處理函數(shù)為一個(gè)switch-case結(jié)構(gòu)的選擇語(yǔ)句，每個(gè)事件對(duì)應(yīng)case語(yǔ)句不同的響應(yīng)與處理。

4 結(jié)論

本文介紹了采用超聲波風(fēng)傳感器測(cè)風(fēng)的原理，分析并利用了風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，利用超低功耗單片機(jī)對(duì)信號(hào)采集電路進(jìn)行控制測(cè)量，并采用高精度低延遲的儀表放大器和有源濾波器對(duì)超聲波接收信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大濾波，并將信號(hào)通過(guò)圖形系統(tǒng)進(jìn)行只管顯示，達(dá)到惹急交互目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，由于超聲波測(cè)量方法屬于無(wú)接觸式測(cè)量，不破壞風(fēng)場(chǎng)，并且沒(méi)有

機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)方式固有的慣性，無(wú)啟動(dòng)風(fēng)速，測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的精度很高，具有比傳統(tǒng)的機(jī)械式有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

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