基于STM32的超声波风速低采样检测技术

但 强

(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039)

0 引言

伴随着半导体技术及超声波换能器技术的发展,基于超声波时差原理的气体流速仪器仪表广泛应用于气象、风电、通风系统监测、精准计量等领域[1]。相较于机械式、差压式风速仪,它具有测量下限低、宽量程、精度高、线性度好等优点,与热线热膜风速仪相比,其受环境温度、杂质等因素影响小,因此该技术在风速风向领域应用前景广阔。超声波时差原理可细分为时差法、相差法及频差法,相差法相对简单,但需要保证信号相移在一个超声波周期内,测量范围较为小[2-3],而频差法测量精度较低,测量周期较长,因此这2种方法实际应用较少[4],绝多数超声波风速产品采用时差法。

当前主要采用FPGA[5-6]和ARM核心[3,7-8]进行超声波风速测量系统设计,基于FPGA的系统多用于高速采集或运算量较大的应用中,功耗相对较高,而低功耗应用多采用ARM设计,目前超声波飞行时间检测主要采用固定阈值法,测量稳定性较差;此外,也有多芯片结合的设计方式,例如文献[9-10]采用了ARM和CPLD芯片,由CPLD负责超声波信号的驱动与接收,ARM负责数据处理及通讯,文献[11-12]也提出一种基于单片机和MS1022时间测量芯片结合的低成本设计。本文基于STM32提出一种低速率采样的双向风速检测模组的设计方法,设计模组不借助高速ADC及时间转换芯片等辅助芯片,仅利用内部计时器及ADC资源完成超声波信号的低速率无失真采样,通过调整测量频率和休眠时间可优化整机功耗,该方法具有低成本、低功耗的特点,可满足电池供电或在线实时监测等应用场景的双向测风需求。

1 基于超声波时差法的风速测量原理

超声波时差法通过测量超声波顺、逆流飞行时间推算出风速值,图1为风速测量示意图。A、B是收发一体超声波换能器,设定A、B换能器连线间距为L,风速为v,风速方向与换能器连线方向夹角为θ,介质声音传播速度为c,顺逆流超声波飞行时间分别为t1、t2,其中L、θ为已知固定值,t1、t2为测量值。

超声波换能器A、B交替作为发射端及接收端,超声波飞行时间为t1具有以下关系

(1)

消除式(1)中声速影响因子c,可得

(2)

由式(2)可知,当环境温度、压力及介质密度、成分造成介质声速c改变时,风速v不受影响。

2 低速率采样的双向超声波风速检测模组设计原理

本文设计的双向超声波风速检测模组选用STM32F103C8T6作为MCU控制器,外围电路无FPGA、CPLD等逻辑控制器及外置ADC采集芯片,设计成本低。图2为模组硬件系统设计原理,控制器通过控制发射通道选择单元,将调制驱动信号送至驱动电路完成对超声波换能器的驱动,致其发射声波,保护电路对接收信号进行限幅,防止换能器驱动时对接收电路的损伤;控制器控制接收通道选择单元将信号送至调理及过零比较电路,实现对信号的滤波、放大、峰值保持、过零比较等功能,最终由控制器完成对信号的过零时刻及信号波峰幅值采样;基于“电源管理技术”仅在需要的时刻开启发射电路、信号接收电路的电源,实现了传感器的低功耗;模组基于控制器的UART接口实现与外部的信息交互。

图2 双向超声波风速检测模组硬件系统框架

检测模组无外置高速ADC芯片,采用STM32内部ADC实现信号幅值采样,其频率与超声波频率一致,技术实现原理如图3、图4所示。超声波信号先经由带通滤波和信号放大电路进行信号调理,滞回比较器设置阈值为0.4～0.8 V,可过滤掉噪声干扰,实现仅在超声波信号窗口输出脉冲信号,脉冲信号的下降沿作为触发信号;峰值保持电路在超声波信号到达前完成复位,之后将保持信号的最大值;过零比较器将信号转换为脉冲信号,信号的每个下降沿被计数器采集,并暂存于STM32计时器外设的寄存器中。通过内部逻辑配置,STM32一旦触发即可完成1次ADC采样及过零时刻采集,使用DMA控制器将数据缓存至“数据缓存区”。采样完成后,缓存区内包含超声波峰值数组{V1,V2…Vn}以及与之对应的信号过零时刻数组{t1,t2…tn},由于峰值保持电路只能获取当前信号的最大值,因此峰值数值仅包含信号包络线前段上升趋势信号,例如图4中Vj=V4(j≥4)。

图3 低速率采样硬件原理

图4 低速率采样逻辑原理

目前超声波测速仪多采用阈值法确定超声波的飞行时间,阈值法可分为固定阈值法及可变阈值法,固定阈值法将超声波信号转换为脉冲信号,设定第一个脉冲或特定脉冲作为信号特征点[3,7,13],由于干扰信号或风场扰动,该方法容易在到达时间出现的周期性误差[14]。本模组基于可变阈值法获取超声波飞行时间,可有效消除干扰引起的周期性误差[15]。单位阈值设定为Vth(0

|Vk-1Vth·Vmaxt=tk-3T|

(3)

式中T为超声波信号周期。

3 超声波风速检测模组硬件电路设计

3.1 超声波换能器驱动电路

模组采用如图5所示单极性变压器驱动电路,驱动电源为9 V,超声波换能器驱动信号为脉冲信号,其频率与超声波换能器频率一致。电路通过匝数比为1∶10的变压器将驱动电压升至约80 V,R1为变压器原边限流电阻,其阻值小于10 Ω,由于超声波换能器通常为容性元件,储能电容C1能够在开关管S1导通瞬间提供一定能量,肖特基二极管D1、D2可以防止超声波换能器在接收状态下接入驱动回路,则驱动电路不会成为换能器负载而降低接收信号的幅值。

图5 超声波换能器驱动电路

3.2 保护电路

由于超声波换能器为收发一体,处于发射状态时换能器端电压为几十V,而在接收状态下端电压仅为10～100 mV,保护电路主要功能为限制接收电路输入信号幅度,防止驱动高压损坏接收电路。图6为模组采用的保护电路,肖特基二极管D3、D4构成限压电路,最大电压为0.2～0.4 V;R2、C2组成低通滤波器,R2的取值大于10 kΩ,低通滤波器截止频率frc=1/(2πR2C2),设计时建议frc>5fu(fu为超声波频率)。

图6 带有低通滤波器的保护电路

3.3 二阶压控带通滤波电路

电路接收的超声波信号中包含有环境及电路电磁干扰噪声,这些噪声对可变阈值法的可靠实施造成影响,模组采用图7所示的有源二阶压控带通滤波器对噪声信号进行过滤。

图7 二阶压控带通滤波电路

带通滤波电路中C3=C4,基于拉普拉斯变换推导电路的传递函数A(s)为:

(4)

将传递函数简化为

(5)

式中:ω0为滤波器的中心角频率;A0为滤波器最大增益;Q为滤波器带宽。

二阶压控带通滤波幅频特性如图8所示。

3.4 滞回比较器

滞回比较器将超声波信号转换为脉冲信号,用以触发STM32进行采样,其设计如图9所示,由运放和电阻R8、R9组成一个正反馈系统,二极管D5、电阻R10将信号转换为单极性,实现对STM32电平的兼容。

图9 滞回比较器电路

滞回比较器输入输出特性(见图10)中含有滞回区间,滤除了信号噪声对输出脉冲信号的干扰,其阈值为

图10 滞回比较器输入输出特性

(6)

式(6)中,us为运放双极性供电电压值,uth建议为0.4～0.8 V,兼顾噪声滤除和信号的完整性。

3.5 峰值保持电路

模组所用峰值保持电路如图11所示,由运放、二极管、电阻、电容等外围电路构成,R12、Q1构成复位电路,在信号到达之前应完成复位,D6可防止输入信号为负时U5进入非线性工作区,反馈电阻R11可对D6、D7的压降进行补偿。

图11 峰值保持电路

4 双向超声波风速检测模组性能测试

超声波风速检测模组换能器频率选用200 kHz,STM32控制器主频72 MHz,采用间歇性休眠模式,数据采集频率10 Hz,供电电源为3.6 V,整机功耗约为0.15 W,模组原型机如图12所示。

图12 双向超声波风速检测模组原型机

控制器计时器时钟与主频一致,根据式(1)、式(2)可计算出基于STM32F103控制器的风速物理分辨率为

(7)

模组结构中L设计为70 mm,夹角θ为45°,取声速为340 m/s,则风速物理分辨率约为0.016 m/s。

目前国内的标准风洞主要以皮托管或热线热膜仪作为标准器,最高精度为0.2 m/s,无法满足风速模组性能测试需求。依托瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室的标准流量装置(如图13)对风速模组进行性能检验,该装置基于音速喷嘴法,流量调节范围为1～25 000 m3/h,管径尺寸涵盖DN15～DN600,相对不确定度为0.25%,精度等级为0.25级。

图13 音速喷嘴法流量标准装置

在流量标准装置上对超声波风速检测模组先进行风速校准,校准点在6 m/s附近,然后进行0.1～25 m/s风速性能测试,在风速测试点分别标准值和模组示值如表1所示。

表1 标准流量装置标准值与超声波风速检测模组示值 m/s

标准[16]使用不确定度方法评价测量数据的可靠性,依据A类评价数据的不确定度可表示为

(8)

(9)

由于流量标准装置的相对不确定度为0.25%,则模组合成的标准不确定度uc(x)及其相对不确定度urel(x)应为:

(10)

式中v标为标准值。

将各组示值的平均值作为该测点风速检测值,并计算各测点的误差,平均值、误差及不确定度等相关数据列入表2中。

表2 超声波风速检测模组测量数据、误差及不确定度

由表2数据可看出,在8 m/s风速范围内模组测量误差小于0.1 m/s,18 m/s风速内误差小于0.15 m/s,风速大于2 m/s时其相对不确定度约为0.3%。本文设计的双向超声波风速检测模组具有较高测量精度,且其测量值可信度高。

5 结束语

本文提出了一种基于STM32F103C8T6的双向风速检测模组的设计方法,模组采用信号峰值及过零点时刻低速率采样的方式实现了较少外围电路的硬件设计,整体成本低;基于电源管理及控制器休眠技术实现模组的功耗低至0.15 W,且通过降低数据采集频率还可进一步降低功耗,以满足更低功耗的应用需求。所设计的原型机经精度等级为0.25级的音速喷嘴标准流量装置测试,约8.4 m/s内的低风速区精度可达到0.1 m/s,23 m/s风速内相对不确定度约为0.3%,整体风速检测性能优越。本模组虽设计为双向风速检测,但通过优化超声波换能器安装形式及声道数量,该技术仍可实现全向风速检测。