嵌入式风速风向传感器精度检测仪

侯云海,董雪芳,刘东东

(长春工业大学 电气与电子工程学院，吉林 长春 130012)



嵌入式风速风向传感器精度检测仪

侯云海,董雪芳,刘东东

(长春工业大学 电气与电子工程学院，吉林 长春 130012)

以ARM9嵌入式微处理器作为核心控制模块，设计了数据采集硬件以及软件。在传感器正常工作状态下，同时对被测传感器和标准传感器的数据进行采集，通过比对偏差来筛选出精度不准的传感器。

风速风向传感器；精度检测；嵌入式系统

0 引 言

据统计，2015年全球风电新增装机容量为51.1 GW，同比增长53.9%。其中中国风电新增装机容量为30 500 MW，首次突破3 000 MW大关，达到中国风电新增装机历史最高水平，占全球份额的48%。2015年中国风电累计装机容量为14 536 MW，增速达到近3年最高水平。

伴随着风电产业迅猛发展，风电场的运维管理需求也在逐渐扩大。风速风向传感器精度检测仪主要根据风电场的特殊环境，针对风机上的风速风向传感器进行设计研发，同时对被测传感器和标准传感器进行数据采集，再通过数据比对，筛选出精度较差的被测传感器，并将结果反馈给风场主控室，及时更换精度不准的传感器，防止风机因不能精准的偏航校正而导致电量损失等。

1 风速风向精度检测仪工作原理

风速风向精度检测仪原理如图1所示。

图1 风速风向精度检测仪原理

将被测风速传感器与被测风向传感器以及标准风速风向传感器在工作状态下同时接入数据采集系统。采集系统将数据以表格形式存储在离线U盘中，数据处理系统对离线文件进行处理，对比被测与标准传感器数据，分析得出被测传感器的误差程度，再由检修维护中心相关人员判定是否更换传感器。

1.1 风速风向传感器工作原理

风速风向传感器为机械转动式传感器，感应风机机舱外的空气流动，对空气流动速度和方向进行监测及光电转换，输出电流或电压信号，再进行数字量化、时间平均等处理后进行存储，作为风机偏航调整与叶片角度调整的重要参数[1]。

1.2 风速传感器的基本原理

以雷奥公司的LE2152金属风速传感器为例，对常用型风速传感器原理进行介绍。传统的三杯式风速传感器，三个轻质锥型风杯随风转动，在测量范围内能提供良好的线性输出。截光盘随中心轴转动，每转动一圈就切割光束一次，光电转换装置就会产生一个脉冲。因此，输出脉冲的速率与风速成正比。然而由于精度要求，需要对启动惯量和轻微过速进行补偿[2]。

传感器内部的加热元件使整个轴承在寒冷的天气下仍能保持不冻结。它一般能提供10 W的加热功率。在传感器支架处设一热动开关，使之在低于4 ℃时启动加热装置。

1.3 风向传感器的基本原理

风向信号产生来源于风标转轴，风标转轴连接一个7位的格雷码光盘，风标随风向转动进而带动格雷码光盘转动。码盘从内到外依次做21、22、23、24、25、26、27等分，相邻份依次为透光与不透光，码盘两侧的同一半径上连接有7对光电耦合器件，对应输出7位格雷码。码盘上面安装有一组(7个)红外发光二极管，下面有一组光电转换器(7个)，都正对码盘的7个轨道。随风向标的转动，码盘下面的光电管接收到电码发生变化，每一个格雷码代表一个风向，分辨率为5.6°～0.7°。传感器有格雷码、电压、电流3种输出方式[3]。

同样，在风向传感器的内部也装有内部加热元件来避免低温故障。

2 数据采集系统硬件设计

根据风电场运维的环境需要，数据采集系统需要选用小型化、集成化以及具有便携特点的设计方式，硬件平台采用基于ARM9的嵌入式系统架构设计，充分利用ARM9片上丰富的外设资源，使系统的体积小、性价比高、集成度高、可靠性好。硬件结构功能包括核心控制器、电源模块、人机交互模块、信号处理模块、传感器接口等部分[4]，如图2所示。

2.1 核心控制器

核心控制器选用型号为QT-S3C2410的32位嵌入式RISC微处理器，其主频可以达到203 MHz，采用5级流水线，片上资源丰富，其中包括带存储管理单元MMU、外部存储控制器(SDRAM)、LCD控制器、4通道的DMA、3通道的UART、2通道的SPI、2通道的USB主机接口和1通道的USB设备接口，以及4通道的PWM定时器和一个内部定时器、Watchdog、GPIO、8通道的10位ADC和触摸屏接口等，满足设计需求，并且集成度高，稳定性好，适用于高性能、低功耗的便携式智能设备、终端以及人机界面等[5]。

2.2 电源管理模块

外部铅蓄电池提供5 V直流电压，通过底板上的低压差线性电压源芯片AMS1117-3.3将5 V电压转换成3.3 V提供给核心控制器上的SDRAM、FLASH以及CPU的接口和外设使用。AMS1117-1.8再将3.3 V电压调整为1.8 V供CPU内核使用[6]。

图2 硬件功能模块框图

2.3 人机交互LCD接口

QT-S3C2410可以外接TFT、STN等类型的LCD。本设计选用的信捷TG865-ET显示屏，该触摸屏是TFT型透反式液晶显示屏，TFT作为开关器件，内置垂直水平驱动器，集成四线电阻式触摸屏和背光电路。通过0.2 mm间距的40 pin插座与主板连接。由于触摸屏的工作电压为24 V，需要单独使用TPS61042将蓄电池5 V电压升至24 V，完成触摸屏供电。

2.4 数据采集电路

由于QT-S3C2410没有提供片内ADC的模拟输入引脚，因此设计了通用数据采集电路，主要功能模块包括电平转换电路、译码逻辑单元、8路模拟输入通道和16位数字I/O通道，结合前向输入端的信号调理(如限幅、滤波、转换和隔离等)，就可以采集和处理各类现场模拟信号以及控制开关量的输入输出。采集电路如图3所示。

图3 采集电路

2.5 传感器接口

传感器接口电路用于区分传感器类型，可以根据输出信号为电压、电流或者频率选择不同的接口，提高了设备的通用性。另外，由于ADC的参考电压设置为3.3 V，因此，电流型传感器需要将输出的电流信号转换成电压信号才能进行A/D转换。根据设备需要设置4个传感器接口，分别为标准风速、准风向传感器接口，被测风速、风向传感器接口。

2.6 数据存储

在数据存储部分，内部FLASH预留出64 K字节用于系统应用，剩余字节用来存储采集数据，当内部FLASH存满时自动切换到SDRAM存储。FLASH和SDRAM的存储容量决定可以采集到传感器的数据大小。

3 数据采集系统软件设计

系统的软件系统包括终端主控软件以及离线数据处理软件两部分。终端主控软件运行于嵌入式硬件平台，完成现场的采集工作及数据存储工作。离线数据处理软件的主要功能是转换采集数据格式，并对数据进行分析计算，得出被测传感器的性能参数。

3.1 终端主控软件

选择Windows-CE操作系统，基于ST公司的CMSIS标准软件架构，主要设置QT-S3C2410启动、A/D数据采集、数据处理、数字I/O、LCD显示和触摸屏控制程序[7]。

其中，S3C2410X启动程序完成系统上电或复位后的一些初始化工作。A/D数据采集程序通过AD7892完成对模拟输入信号的连续采集和定时采集，对采集数据可进行滤波、时域参数检测及频谱分析等处理操作。数字I/O程序实现对16位数字量进行输入/输出控制。LCD显示程序负责信号波形及各项时域参数检测结果的实时显示。触摸屏控制程序可实现一些简单的人机交互功能。

3.2 离线数据处理软件

离线数据处理软件是安装在PC机上，对采集到的数据进行分析计算单独设计开发的软件，其数据格式转换是指完成对传感器采样数据进行信息提取、数据分类以及打包存储的数据分析功能[8]。

4 数据分析

在采集前端，数据的采样频率为每秒采集一次，采集的数据以CSV表格形式存储，可以在PC机上直接用EXCEL表格打开，数据具有很高的可读性。

分析软件对风速的采样数据分析原理是：将标准风速从小到大排序，并取得同一采样周期内与被测风速的差值绝对值，然后取每0.2 m/s步长内差值的平均值，并绘出表格。风速测量偏差图如图4所示。

图4 风速测量偏差图

由此可知，曲线的幅值越大，则被测传感器的精度越差。实验结果中曲线2所代表的风速传感器精度大于0.5 m/s风速时，精度均较差。

风向采样数据的分析原理：将标准风速从小到大排序，取同一个采样周期内的标准风向与被测风向的差值绝对值，值得注意的是当差值大于180°时，取360°减去差值绝对值的结果。然后取0.2 m/s步长内的平均值，并绘出表格。数据分析结果如图5所示。

图5 风向偏差图

在风速较小时，两被测风向传感器的精度均较差，这可能是由于风速过小时，风向传感器由于惯性滞留停止位引起的，而在风速大于3.8 m/s时，曲线1所代表的风向传感器精度越来越高，曲线2代表的风向传感器精度随风速的增大而降低。

风电场的运维专业人员可以根据分析结果对传感器的性能做出评价，做出继续使用或者更换的决定。

5 结 语

风速风向传感器精度检测仪的设计满足了通用性强、低功耗、便携可靠的应用需求。设计的基于嵌入式系统的数据采集模块具有高性价比、应用范围广的特点，配合同步开发的PC数据分析软件，不仅可以应用于风电运维，在气象监测等领域也有广泛应用。另外，对电源的设计还可以增加光伏电池模块，适应野外操作。

[1] 林锦实.传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,2012.

[2] 王国峰,赵永生,范云生.风速风向测量误差补偿算法的研究[J].仪器仪表学报,2013,34(4):786-790.

[3] 陈梅,洪飞,李鑫.风速风向传感器在风机控制中的应用与研究[J].自动化技术与应用，2008,27(4):38-39.

[4] 胡祥超，李艳洁，赵新华.便携式野外传感器原位数据采集系统设计[J].传感器与微系统，2014，33(10):69-72.

[5] 陈鼐.基于ARM的嵌入式数据采集与处理系统[D].南京：南京航空航天大学,2007.

[6] 侯云海,张洪伟.光伏发电逆变器的高频变压器[J].长春工业大学学报，2015,36(2):158-162.

[7] 胡军山.基于ARM和WinCE的软件构件化研究与开发[D].无锡:江南大学,2009.

[8] 曾青石,张像源,陈辉.基于3S技术的地质灾害野外调查数字采集系统的研究[J].水文地质工程地质，2008(1):25-28.

Embedded wind speed & direction sensor precision detector

HOU Yunhai,DONG Xuefang,LIU Dongdong

(School of Electrical & Electronic Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012，China)

Taking ARM9 embedded microprocessor as the core controller,we design both the hardware and software for the data acquisition. As the sensors work normally,data are sampled from both the measured and the standard sensor simultaneously for filtering out the defective sensorswith the deviation.

wind speed and direction sensor；precision detecting；embedded system.

2016-04-21

吉林省教育厅基金资助项目(吉教科合字[2015]第055号)

侯云海(1970-)，男，汉族，吉林永吉人，长春工业大学教授，博士，主要从事电力变换与节能技术方向研究,E-mail:houyunhai@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.5.10

TN 919.5

A

1674-1374(2016)05-0465-05