超声波风速风向仪的电路设计

2014-03-23高中华杜利东吴少华

仪表技术与传感器 2014年1期

高中华，赵　湛，杜利东，方　震，吴少华

(1．中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京　100190；2．中国科学院大学，北京　100190)

0　引言

风与人们的生活息息相关，准确及时地获得风信息在农作物耕作、工业风道检测、气象监测、船舶航行、风力发电等方面有巨大的指导意义。相对于传统的机械式风速仪，超声波风速风向仪采用固态设计，没有旋转部件，不存在因磨损产生的故障和测量误差，非常适合在恶劣的天气条件下使用，且原则上启动风速为0，没有测量上限，是理想的测量风速风向的仪器[1]，具有广泛的应用前景。

目前在国内科研单位的超声测风研究工作中，主要采用谐振频率为40 kHz和200 kHz左右的超声换能器。其中，利用40kHz超声换能器制作的系统精度较低，往往通过采用高主频的ARM、DSP等处理器和增大探头间距来提高测量精度，这必然导致仪器结构较大，外形笨重[2-3]。而采用更高中心频率的超声换能器意味着对处理器更高的硬件配置要求[4]，这无疑增加了系统的成本。文中从降低系统成本并简化信号处理算法出发，对超声风速风向系统前端电路进行了设计。其中驱动端选用ICCL7667和脉冲变压器联合升压提高了四路驱动信号的一致性，并突破传统方法中对接收信号进行包络提取的思想，以着力突出接收信号的峰值点设计了相应的峰值检测电路，提出了简单易行的峰值时间确定方法。检波信号降低了接收信号中脉冲干扰的影响，具有良好的稳定性。

1　超声波风速风向仪测量原理

超声波在空气中传播的时候，会和风向上的气流速度叠加，若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，它的速度会变慢，因而可以通过风速分量对超声脉冲在固定路径上两个相反方向的输送时间差进行风速测量。文中采用基于直接时差法的超声波风速风向测量，其具有风速测量与温度无关、无需温度补偿等优点，是目前使用较广泛的超声波测量风速的方法。

如图1所示，设两个超声头的间距为d，无风时超声波的传播速度为c，风速为v，超声波在顺风和逆风下的传输时间分别为t12和t21，则

图1　超声风速测量原理

(1)

(2)

由式(1)和式(2)得：

(3)

用式(3)可测量出沿超声换能器方向的风速分量，为了测量出水平风速，须采用两组正交的探头分别测量两个相应分量，合成后即可得到水平风速[5]。

2　系统电路设计

系统控制及核心处理器采用STM32F407，STM32F407基于ARM Cortex-M4内核，有1 M的FLASH存储器及192 K的内嵌SRAM，其主频最高可达168 MHz，且在168MHz高速运行时可达到210DMIPS的处理能力，其处理数据宽度大、时钟频率高、具有丰富的资源和高效的处理能力[6]。系统通过STM32F407控制超声波收发模块，当其接收到控制指令后有序地进行收发操作，接收信号在二次放大后经四阶带通滤波器滤除噪声及干扰，然后经过峰值检测模块得到检波信号，并将其返回处理器进行AD采样及数据处理，得出超声波在不同路径上的渡越时间，并求出风速风向值，最后由液晶屏将风信息实时显示出来。系统结构简图如图2所示。

图2　系统结构简图

2．1超声波收发电路

系统采用NU200E12TR-1超声换能器，其中心频率为200 kHz，收发探头的间距为20 cm．激励超声波探头需要对应中心频率的高压脉冲，常用方法有利用大功率管和变压器产生激励脉冲[7]、Boost升压法[8]、利用开关管控制直流高压[9]等。其中，利用大功率管和变压器搭建的驱动电路由于使用了较多储能元件，易受外界的干扰；Boost升压获得的激励脉冲占空比很小，驱动效率低；而利用开关管控制直流高压获得激励脉冲一方面存在安全隐患，另一方面不利于系统的小型化。系统将低压脉冲信号经ICL7667升压到12 V，然后经脉冲变压器升压获得激励脉冲信号，电路结构简单且四路驱动信号一致性好。单路超声收发电路如图3所示。其中，脉冲变压器采用φ16×9×5铁氧体磁环作为骨架，初次级线圈绕径分别为0.49 mm和0.31 mm，其匝数比为6∶50。最终实测驱动电压峰峰值为80 V，对端探头接收信号约为25 mV．

图3　超声收发电路

2．2隔离电路

为保证同一时刻只有一对超声换能器进行收发工作以避开相邻换能器的影响，系统采用模拟开关对电路进行隔离控制。CD4052是一个双4选1的多路模拟选择开关，系统发送端和接收端分别用一个CD4052进行联合控制，保证了超声头间的协调工作。另外，采用模拟开关对回波信号接收范围进行隔离控制，也有效避免了超声驱动脉冲所引起的干扰。

2．3放大滤波电路

信号经过传播过程中的衰减以及发射过程中能量的消耗，回波信号十分微弱。为了提高系统的精度，并充分利用STM32的ADC的量程，信号的接收部分需要将信号放大至伏量级。一级运放的放大倍数一般不超过100倍(40 dB)，单级过高的放大倍数容易引起震荡，其带宽也要受到限制。本系统采用双路低噪声高速运放OPA2227，对超声波信号进行了两级放大，放大后信号峰值约2 V左右。

由于放大信号中掺杂着噪声干扰，因此有必要对其进行滤波处理。系统采用集成有源滤波器MAX275设计了四阶带通滤波器。MAX275具有外接元件少，结构简单，参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点；且由于没有外接电容，而且是单片结构，因而高频场合时受分布电容的影响小，稳定性较好[10]。查询芯片数据手册，结合超声换能器中心频率F0=200 kHz，选取品质因素Q=12，HOBP=1，将FC接地时，RX/RY=1/5。根据以下公式即可求得相应电阻值。信号放大及滤波电路如图4所示。

(4)

RA4=RB4=RA2-5

(5)

(6)

(7)

2．4峰值检测电路

为测出超声信号的传播时间，关键在于准确判断接收信号到达时间，根据前辈以往的测量经验，通常采用方法有使用高速计数器测量[3]、通过包络信号峰值判断[2]、求包络信号重心[4]等方法。其中，使用高速计数器对计数频率有极高要求，且信号到达时阈值电压的判断极易受环境的干扰。求包络信号峰值需首先检出接收信号的包络信号，传统思路将接收信号进行Hilbert变换求出包络信号，但由于包络信号峰值处电压变化颇为平缓，对AD要求极高，且由于采样和傅里叶计算的复杂性，以及大量数据的存储计算，因此系统务必具有一定的延迟性。求包络信号重心的方法有较高的稳定度和抗干扰性，但其算法复杂，数据处理量大，对处理器要求很高。

在超声波测风系统中，目的是检测出发射信号与接收信号的时间差，因此只要找到接收信号中易于分辨的一个时间点即可。为此，系统选用检波二极管设计了峰值检测电路，电路简单且成本低廉。如图5所示，A具有半波整流结构；B组成电压跟随器，在检波电阻电容网络与输出负载之间