基于DSP的超聲波式風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)
隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展,超聲波在風(fēng)速測(cè)量、流體的流速和流量的測(cè)量中起到了重要作用。目前,采用超聲波進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量的方法主要有超聲波時(shí)差法、多普勒法、相關(guān)法、卡門(mén)渦街原理、相位差法和超聲波頻率差法。
本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201610/308811.htm超聲波時(shí)差法是目前應(yīng)用的最早并且最為廣泛的一種測(cè)風(fēng)方法,因其具有原理簡(jiǎn)單,安裝方便等優(yōu)點(diǎn),適用于大量程大風(fēng)速的場(chǎng)合。時(shí)差法測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)在于準(zhǔn)確測(cè)量小風(fēng)速時(shí)的時(shí)間差值。在風(fēng)速小于0.2 m/s時(shí),需要測(cè)量的時(shí)間精度需要達(dá)到二十納秒,甚至更小,精確測(cè)量低風(fēng)速時(shí)的時(shí)差較為困難,并且受環(huán)境溫度影響較大。文中通過(guò)互相關(guān)法對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,有效的提高了測(cè)量精度。
1 超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理
超聲波測(cè)風(fēng)采用時(shí)差法,其原理是利用超聲波信號(hào)順風(fēng)和逆風(fēng)傳播的時(shí)間差來(lái)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。超聲波時(shí)差法測(cè)風(fēng)模型如圖1所示。A、B分別為收發(fā)一體式超聲波換能器,超聲波換能器A和B的連線與風(fēng)向成45度角,設(shè)置A與B的垂直距離為L(zhǎng),則A與B的超聲波傳輸距離為。

當(dāng)風(fēng)速為VAB,風(fēng)向由A流向B時(shí),有

式中tAB、tBA分別為超聲波從A點(diǎn)到B點(diǎn)的傳輸時(shí)間和從B點(diǎn)到A點(diǎn)的傳輸時(shí)間,θ角為45度,由(1)、(2)得,

由(4)可以看出,只要測(cè)得超聲波從A到B和從B到A的傳輸時(shí)間,就可以計(jì)算出風(fēng)速。當(dāng)L的取值為0.1 m時(shí),風(fēng)速達(dá)到0.2 m/s,標(biāo)況下c=340 m/s,計(jì)算tAB、tBA分別為415.768 24μs、416.114 25μs,tBA-tAB=346 ns,處理器芯片的主頻達(dá)到100MHz,最小檢測(cè)分辨率也只有10 ns,誤差比較大;超聲波在空氣中傳播速度受溫度影響,需要對(duì)溫度造成的誤差進(jìn)行修正;同時(shí)超聲波換能器在接收超聲波時(shí)是逐步起振和余振逐步消失的過(guò)程,因此由硬件帶來(lái)的誤差對(duì)時(shí)間差的測(cè)量具有較大的影響,采用直接測(cè)量時(shí)間差的方法會(huì)造成測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失真。
本文測(cè)量超聲波在空氣中傳播的時(shí)間差,采用對(duì)時(shí)間測(cè)量信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)法進(jìn)行計(jì)算,互相關(guān)法的優(yōu)點(diǎn)在于其測(cè)量精度高,對(duì)環(huán)境噪聲具有很強(qiáng)的免疫性。相關(guān)函數(shù)描述了一個(gè)信號(hào)過(guò)去時(shí)間和現(xiàn)在時(shí)間的相互關(guān)系,也可以估計(jì)信號(hào)的下一個(gè)取值,相關(guān)函數(shù)能夠描述兩個(gè)信號(hào)之間的相互關(guān)系或者相似性程度。由信號(hào)相關(guān)性可知,r1(t)和r2(t)的互相關(guān)函數(shù)R12(t)為

R12(τ)為信號(hào)r1(τ)和r2(τ)的時(shí)間差τ的函數(shù),τ=t1-t2,當(dāng)時(shí)互相關(guān)函數(shù)取得最大值時(shí),有t=τ,此時(shí)的τ值即為需要測(cè)量的時(shí)間差。
通過(guò)DSP對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到,但是,對(duì)大量數(shù)據(jù)逐點(diǎn)計(jì)算相關(guān)函數(shù),運(yùn)算量非常大耗時(shí)長(zhǎng),實(shí)時(shí)性差。在本文中,將時(shí)域的相關(guān)函數(shù)變換為頻域中進(jìn)行計(jì)算,可以極大提高計(jì)算效率,如下式所示,


根據(jù)時(shí)域信號(hào)的卷積的離散傅里葉變換等于信號(hào)傅里葉變換在頻域內(nèi)的乘積,頻域內(nèi)的傅里葉變換計(jì)算完成后,通過(guò)傅里葉反變換變換為時(shí)域的相關(guān)計(jì)算結(jié)果,如下式所示,

在計(jì)算結(jié)果中選取相關(guān)結(jié)果最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間t,即為我們需要的時(shí)間差。
2 超聲波的溫度補(bǔ)償
根據(jù)歐拉方程,聲音在空氣中的傳播速度為:
c=331+0.6T
式中T為環(huán)境的實(shí)際溫度,單位為攝氏溫度。電路中對(duì)溫度的檢測(cè)本文采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器,采用數(shù)字式溫度傳感器測(cè)量溫度基本準(zhǔn)確,能夠滿足測(cè)量的精度要求,并且具有接口電路簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。
3 低風(fēng)速?gòu)?fù)雜風(fēng)向干擾濾除
在煤礦井下巷道中,因風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀的安裝位置、附近影響風(fēng)路等因素的存在,當(dāng)風(fēng)速減小至低于0.1 m/s時(shí),實(shí)際風(fēng)向呈現(xiàn)出搖擺狀態(tài),導(dǎo)致風(fēng)向指示不斷的正反兩個(gè)方向跳變,傳感器的輸出信號(hào)一直的在跳變,由于低風(fēng)速時(shí)風(fēng)向的狀態(tài)與風(fēng)向改變狀態(tài)及相應(yīng)的風(fēng)速大小有關(guān),所以本文采用風(fēng)速矢量統(tǒng)計(jì)加權(quán)的方法,確定低風(fēng)速時(shí)風(fēng)向的穩(wěn)定指向。在設(shè)定時(shí)間內(nèi)T內(nèi)。
采樣N點(diǎn)矢量風(fēng)速,規(guī)定從A到B為正向矢量風(fēng)速,則第N點(diǎn)的風(fēng)速大小為aN,方向?yàn)閎N,這時(shí)間T內(nèi)N點(diǎn)風(fēng)速的加權(quán)值y0為:

4 硬件電路設(shè)計(jì)
超聲波測(cè)風(fēng)儀系統(tǒng)硬件以TI公司的TMS320VC5509A低成本處理器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì),TMS320VC5509A是定點(diǎn)型的高速數(shù)字信號(hào)專用處理器,主頻高達(dá)200 MHz,主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理場(chǎng)合,是功耗較低的一款DSP芯片型號(hào),具有較好的實(shí)時(shí)性能。
硬件核心控制系統(tǒng)主要包括DSP芯片的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及程序調(diào)試電路等。
超聲波發(fā)送和接收電路為硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn),發(fā)射電路完成超聲波以150 Hz的頻率通過(guò)超聲波探頭發(fā)送出去,在接收端通過(guò)超聲波換能器將接收到的超聲波進(jìn)行濾波放大后輸出至處理芯片進(jìn)行處理。發(fā)送電路和接收電路分別如圖2、3所示。


在發(fā)送電路中,采用CD4069反相器啟動(dòng),CD4069具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),價(jià)格低廉具有較高的性價(jià)比;接收電路中,由超聲波換能器接收超聲波信號(hào),接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)告訴運(yùn)算放大器LMH6643構(gòu)成的濾波和放大電路放大后,輸出至DSP,DSP對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行數(shù)字處理。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)各個(gè)模塊初始化設(shè)置,超聲波發(fā)送和接收控制,數(shù)據(jù)采集模塊,數(shù)字信號(hào)處理模塊,顯示模塊和對(duì)外通信模塊。系統(tǒng)初始化完成DSP芯片的時(shí)鐘配置、ADC、定時(shí)器和串口的初始化配置等。數(shù)據(jù)采集利用ADC完成超聲波信號(hào)的采,數(shù)字信號(hào)處理模塊主要完成對(duì)采集到的超聲波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算得出準(zhǔn)確的風(fēng)速測(cè)量值,利用液晶模塊將測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向值進(jìn)行顯示,利用串口將測(cè)量值進(jìn)行輸出。軟件流程圖如圖4所示。

6 測(cè)試與分析
在測(cè)試中,閾值Zz和閾值Zf分別設(shè)置為0.1 m/s。采用TES-1340和ST733風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)量實(shí)際的風(fēng)速,作為標(biāo)準(zhǔn)值,將風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀的測(cè)量值與其對(duì)比,對(duì)同一點(diǎn)風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行多次測(cè)量,測(cè)量數(shù)據(jù)平均值如表1所示。

通過(guò)表1可以看出,風(fēng)速在大于0.2 m/s時(shí)的基本誤差小于0.2 m/s,風(fēng)向無(wú)誤差;當(dāng)風(fēng)速小于0.1 m/s時(shí),檢測(cè)儀的輸出風(fēng)速為0 m/s,符合閾值的設(shè)定輸出值。
7 結(jié)論
文中對(duì)基于DSP的超聲波式風(fēng)速風(fēng)向傳感器進(jìn)行了硬件和軟件的研究與設(shè)計(jì),闡述了超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的原理以及軟件和硬件的實(shí)現(xiàn)方法,采用TMS320VC5509A作為控制和數(shù)據(jù)處理的核心,極大的提高了數(shù)據(jù)的處理速度。通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)儀提高了風(fēng)速的測(cè)量范圍和測(cè)量的精度,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
評(píng)論