基于DSP的超声波式风速风向检测仪的设计

刘润博，李玉军，何晓亮，王建宇

（煤科集团沈阳研究院有限公司 大连分院，辽宁 大连 116013）

随着超声波技术的发展，超声波在风速测量、流体的流速和流量的测量中起到了重要作用。目前，采用超声波进行风速测量的方法主要有超声波时差法、多普勒法、相关法、卡门涡街原理[1－2]、相位差法和超声波频率差法[3]。

超声波时差法是目前应用的最早并且最为广泛的一种测风方法，因其具有原理简单，安装方便等优点，适用于大量程大风速的场合[4－5]。时差法测量的关键技术在于准确测量小风速时的时间差值。在风速小于0.2 m/s时，需要测量的时间精度需要达到二十纳秒，甚至更小，精确测量低风速时的时差较为困难，并且受环境温度影响较大[6]。文中通过互相关法对检测的数据进行处理，有效的提高了测量精度。

1 超声波风速风向检测仪的结构和测量原理

超声波测风采用时差法，其原理是利用超声波信号顺风和逆风传播的时间差来测量风速和风向。超声波时差法测风模型如图1所示。A、B分别为收发一体式超声波换能器，超声波换能器A和B的连线与风向成45度角，设置A与B的垂直距离为L，则A与B的超声波传输距离为

图1 超声波测风模型Fig.1 Ultrasonic wind measurement model

当风速为VAB，风向由A流向B时，有

式中tAB、tBA分别为超声波从A点到B点的传输时间和从 B点到 A点的传输时间，θ角为 45度，由（1）、（2）得，

由（1）、（2）可以得到，

当tAB≺tBA时，风向由A流向B，风速为

当tAB≻tBA时，风向由B流向A，风速为

当tAB=tBA时，风速为0，因此风速表达式可以写为

由（4）可以看出，只要测得超声波从A到B和从B到A的传输时间，就可以计算出风速。当L的取值为0.1 m时，风 速达到 0.2 m/s，标况下 c=340 m/s，计算 tAB、tBA分别为415.768 24 μs、416.114 25 μs，tBA-tAB=346 ns，处理器芯片的主频达到100 MHz，最小检测分辨率也只有10 ns，误差比较大；超声波在空气中传播速度受温度影响，需要对温度造成的误差进行修正；同时超声波换能器在接收超声波时是逐步起振和余振逐步消失的过程，因此由硬件带来的误差对时间差的测量具有较大的影响，采用直接测量时间差的方法会造成测量结果严重失真[8-9]。

本文测量超声波在空气中传播的时间差，采用对时间测量信号进行互相关法进行计算，互相关法的优点在于其测量精度高，对环境噪声具有很强的免疫性。相关函数描述了一个信号过去时间和现在时间的相互关系，也可以估计信号的下一个取值，相关函数能够描述两个信号之间的相互关系或者相似性程度。 由信号相关性可知，r1（t）和 r2（t）的互相关函数 R12（t）为

R12（τ）为信号 r1（τ）和 r2（τ）的时间差 τ 的函数，τ=t1-t2，当时互相关函数取得最大值时，有t=τ，此时的τ值即为需要测量的时间差。

通过DSP对相关函数进行计算得到，但是，对大量数据逐点计算相关函数，运算量非常大耗时长，实时性差。在本文中，将时域的相关函数变换为频域中进行计算，可以极大提高计算效率，如下式所示，

根据时域信号的卷积的离散傅里叶变换等于信号傅里叶变换在频域内的乘积，频域内的傅里叶变换计算完成后，通过傅里叶反变换变换为时域的相关计算结果，如下式所示，

在计算结果中选取相关结果最大值对应的时间t，即为我们需要的时间差。

2 超声波的温度补偿

根据欧拉方程，声音在空气中的传播速度为：

式中T为环境的实际温度，单位为摄氏温度。电路中对温度的检测本文采用DS18B20数字式温度传感器，采用数字式温度传感器测量温度基本准确，能够满足测量的精度要求，并且具有接口电路简单，价格低廉和操作方便等优点。

3 低风速复杂风向干扰滤除

在煤矿井下巷道中，因风速风向检测仪的安装位置、附近影响风路等因素的存在，当风速减小至低于0.1 m/s时，实际风向呈现出摇摆状态，导致风向指示不断的正反两个方向跳变，传感器的输出信号一直的在跳变，由于低风速时风向的状态与风向改变状态及相应的风速大小有关，所以本文采用风速矢量统计加权的方法，确定低风速时风向的稳定指向。在设定时间内T内，

采样N点矢量风速，规定从A到B为正向矢量风速，则第N点的风速大小为aN，方向为bN，这时间T内N点风速的加权值y0为：

4 硬件电路设计

超声波测风仪系统硬件以TI公司的TMS320VC5509A低成本处理器为核心进行设计，TMS320VC5509A是定点型的高速数字信号专用处理器[10-11]，主频高达200 MHz，主要应用于实时的数字信号处理场合，是功耗较低的一款DSP芯片型号，具有较好的实时性能。

硬件核心控制系统主要包括DSP芯片的时钟电路、复位电路以及程序调试电路等。

超声波发送和接收电路为硬件设计的重点，发射电路完成超声波以150 Hz的频率通过超声波探头发送出去，在接收端通过超声波换能器将接收到的超声波进行滤波放大后输出至处理芯片进行处理。发送电路和接收电路分别如图2、3 所示。

图2 超声波发送电路Fig.2 Ultrasonic transmitter circuit

在发送电路中，采用CD4069反相器启动，CD4069具有驱动能力强、电路简单等优点，价格低廉具有较高的性价比；接收电路中，由超声波换能器接收超声波信号，接收到的超声波信号经过告诉运算放大器LMH6643构成的滤波和放大电路放大后，输出至DSP，DSP对超声波信号进行采集并进行数字处理。

5 系统软件设计

系统的程序设计主要包括系统各个模块初始化设置，超声波发送和接收控制，数据采集模块，数字信号处理模块，显示模块和对外通信模块。系统初始化完成DSP芯片的时钟配置、ADC、定时器和串口的初始化配置等。数据采集利用ADC完成超声波信号的采，数字信号处理模块主要完成对采集到的超声波信号进行运算得出准确的风速测量值，利用液晶模块将测量风速和风向值进行显示，利用串口将测量值进行输出。软件流程图如图4所示。

图3 超声波接收电路Fig.3 Ultrasonic receiver circuit

图4 系统软件流程图Fig.4 System software flow diagram

6 测试与分析

在测试中，阈值Zz和阈值Zf分别设置为0.1 m/s。采用TES-1340和ST733风速风向仪测量实际的风速，作为标准值，将风速风向检测仪的测量值与其对比，对同一点风速和风向进行多次测量，测量数据平均值如表1所示。

通过表1可以看出，风速在大于0.2 m/s时的基本误差小于0.2 m/s，风向无误差；当风速小于0.1 m/s时，检测仪的输出风速为0 m/s，符合阈值的设定输出值。

7 结 论

文中对基于DSP的超声波式风速风向传感器进行了硬件和软件的研究与设计，阐述了超声波测量风速和风向的原理以及软件和硬件的实现方法，采用TMS320VC5509A作为控制和数据处理的核心，极大的提高了数据的处理速度。通过反复的实验验证，该风速风向检测仪提高了风速的测量范围和测量的精度，具有较强的实用性。

表1 测试数据表Tab.1 Test data sheet

[1]唐娟.不同环境下的时延估计算法及其仿真研究[D].南京：南京信息工程大学，2007.

[2]程小畅.超声波回波信号解调及其包络相关时延估计算法[J].传感技术学报，2006（6）：2571-2573.CHENG Xiao-chang.Ultrasonic echo signal is demodulated and the envelope correlation delay estimation algorithm[J].Sensing Technology Journal，2006（6）：2571-2573.

[3]杨斌虎.基于伪码相关技术的超声波测矩[D].太原：太原理工大学，2004.

[4]俞飞，姬鸿丽.低空风切换的分析与预报[J].四川气象，2001（3）：18-19.YU Fei，JI Hong-li.Analysis and prediction of low-level wind switched[J].Sichuan Meteorological，2001（3）：18-19.

[5]LI Ying，WA Bao-qiang.Time-difference ultrassonic wind detection methods basedon cross corelation theory[C]//the english international conference on electronic measurement and instruments，2007:165-168.

[6]Brassier P，Hosten B.High-frequency transducer and correlation method to enhance ultrasonic gas flow metering[J].Flow Measurement and Instrumentation.