2014焦仪表技术与传感器2014第1期

2014焦仪 表 技 术 与 传 感 器2014 第 1期Instrument Technique and SensorNo．1超声波风速风 向仪的电路设计高中华 ，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)摘要：超声波风速风向仪由于其精度高、反应速度快等诸多优势，具有广泛的应用。文中针对基于时差法超声风速风向检测系统对处理器配置要求高、接收信号易受干扰等特点，设计了系统的超声波收发电路、隔离电路 、放大滤波电路及峰值检测电路。实验测试表明，系统稳定性好，检波信号峰值识别度高，极大地方便了后续分析处理，具有一定实用参考价值，且系统具有成本优势。关键词：超声波；风速风向测量；时差法；峰值检测中图分类号：TH815文献标识码：A文章编号：1002—1841(2014)叭一0019—02CircuitDesign ofUltrasonicAnemometerGAO Zhong—hua风速测量电路，ZHAO Zhan ，DU Li—dong ，FANGZhen ，WU Shao—hua(1．StateKeyLaboratoryofTransducerTechnology，InstituteofElectronics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China；2．UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)Abstract：Ultrasonicanemometerhaswideapplicationwiththeadvantageofhighprecision，fastresponsespeedandSOon．U1-trasonicanemometerbasedontimedifferenceusuallyrequirefastprocessorwiht highperformnace，andthereceivingsignaliseasilyinterfered．Inviewoftheabovecharacteristics，ultrasonictrna smit—receivecircuit，isolationcircuit，amplificationandfiltrationcircuitandpeakdetectioncircuitaredesignedinthesystem．Theexperimentresultsshowthatthesystem hasgoodoperationstbaility，andthepeakofenvelopesingaliswellrecognized，whichgreatlyfacilitatesthesubsequentanalyses，anditisvaluableinpractice．Be—sides，thesystem hascosteffectiveadvantages．Keywords：ulrtasonic；windvelocityanddirectiondetection；timedifference；peakdetection 0 引言号中脉冲干扰的影响，具有 良好的稳定性。

风与人们的生活息息相关 ，准确及时地获得风信息在农作1 超声波风速风向仪测量原理 物耕作、工业风道检测、气象监测、船舶航行、风力发 电等方面超声波在空气中传播的时候，会和风向上的气流速度叠 有巨大的指导意义。相对于传统的机械式风速仪，超声波风速加，若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之， 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 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 启动风速为 0，没有测量上限，是理想 的测量风速风向的仪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 器…，具有广泛的应用前景。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目前在国内科研单位的超声测风研究工作中，主要采用谐风速的方法。 振频率为40kHz和200kHz左右的超声换能器。其中，利用如图1所示，设两个超声头的间距为d，无风时超声波的传 40kHz超声换能器制作的系统精度较低，往往通过采用高主频播速度为C，风速为 ，超声波在顺风和逆风下的传输时间分别 的ARM、DSP等处理器和增大探头间距来提高测量精度，这必为tl2和t2l，则 然导致仪器结构较大，外形笨重 I3J。

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 ，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图1 超声风速测量原理dt12 基金项 目：国家863计划项 目(No．2012AA040502)d(2) 收稿 日期：2013—03一O1 收修改稿 日期：2013一lO一19t21InstrumentTechniqueandSensorJan．2014 由式 (1)和式(2)得：= 等(÷一1)(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 。图3 超声收发电路 2 系统电路设计离控制 ，也有效避免了超声驱动脉冲所引起的干扰。系统控制及核心处理器采用 STM32F407，STM32F407基于2．3 放大滤波电路 ARMCortex—M4内核，有 1M的FLASH存储器及 192K的内信号经过传播过程中的衰减以及发射过程中能量的消耗 ， 嵌SRAM，其主频最高可达 168MHz，且在 168MHz高速运行时回波信号十分微弱。

为了提高系统的精度，并充分利用 STM32 可达到 210DMIPS的处理能力 ，其处理数据宽度大、时钟频率的ADC的量程 ，信号的接收部分需要将信号放大至伏量级。 高、具有 丰富的资源和高效 的处理能力 。系统 通过一 级运放的放大倍数一般不超过 100倍 (40dB)，单级过高的 STM32F407控制超声波收发模块，当其接收到控制指令后有序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 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路低噪声高速运放 OPA2227，对超声波信号进行了两级放大， 除噪声及干扰，然后经过峰值检测模块得到检波信号，并将其放大后信号峰值约2V左右。 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由于放大信号中掺杂着噪声干扰，因此有必要对其进行滤 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波处理。系统采用集成有源滤波器 MAX275设计了四阶带通 时显示出来。系统结构简图如图2所示。滤波器。MAX275具有外接元件少，结构简单，参数调整方便和电源模 块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 。

查询芯片数据手册，结合超声换能器中心频率收发 H 滤波H = jI=模块 I I模块 1I… I I…=200kHz，选取品质因素 Q：12，Ho =1，将 Fc接地时，尺 ／R =1／5。根据以下公式即可求得相应 电阻值。信号放大处理器及滤波电路如图4所示。图2 系统结构简图舵= =T2x109(4) 2．1 超声波收发电路RA4=RB4=RA2—5(5)系统采用 NU200E12TR一1超声换能器，其中心频率为200R_ _ Lx kHz，收发探头的间距为20cm．激励超声波探头需要对应中心RA3=RB3：·(6) 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。=(7) 脉冲 ]、Boost升压法 ]、利用开关管控制直流高压 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2．4 峰值检测 电路 能元件，易受外界的干扰；Boost升压获得的激励脉冲占空比很为测出超声信号的传播时间，关键在于准确判断接收信号 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 方面存在安全隐患，另一方面不利于系统的小型化。

系统将低速计数器测量 、通过包络信号峰值判断 、求包络信号重 压脉冲信号经ICL7667升压到12V，然后经脉冲变压器升压获心 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 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 路超声收发电路如图3所示。其中，脉冲变压器采用妒16×9×进行Hilbert变换求出包络信号，但由于包络信号峰值处电压变 5铁氧体磁环作为骨架，初次级线圈绕径分别为0．49mm和化颇为平缓，对AD要求极高，且由于采样和傅里叶计算的复杂 0．31mm，其匝数 比为6：50。最终实测驱动电压峰峰值为80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 V，对端探头接收信号约为25mV．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 2．2 隔离电路算法复杂 ，数据处理量大，对处理器要求很高。为保证同一时刻只有一对超声换能器进行收发工作以避在超声波测风系统中，目的是检测出发射信号与接收信号 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 制。

CD4052是一个双4选 1的多路模拟选择开关，系统发送端可。为此，系统选用检波二极管设计了峰值检测电路，电路简 和接收端分别用一个CD4052进行联合控制，保证了超声头间单且成本低廉。如图5所示，A具有半波整流结构；B组成电压 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跟随器，在检波电阻电容网络与输出负载之间 (下转第33页) 第 1期翟亚芳等：并网光伏电站升压变压器低压侧测控装置33 参考文献：[4] 屈国旺，王增平，吴永超 ，等．实时操作系统VxWorks在微机保护 [1] 陈树勇，鲍海，吴春洋，等．分布式光伏发电并网功率直接控制方中的应用．电力系统保护与控制，2009风速测量电路，37(19)：88—91．法．中国电机工程学报，2011，31(1O)：6—10．[5] 陈玉兰，揭萍，方存洋，等．新型保护测控一体化装置的研制．电力 [2] 杜太行，肖娜，潘洪瑞，等．基于C8051F120的箱式变电站电气参系统 自动化，2005，29(23)：83—86数控制与无线传输．仪表技术与传感器，2012(2)：60—62．作者简介：翟亚芳 (1979～)硕士研究生，讲师，主要研究方向为电力系 [3] 王海燕，徐云燕，王世云，等．一种基于DSP+MPC的数字化保护统继电保护，微控制器技术应用。

测控装置．电力系统 自动化，2010，34(9)：112一l14．E．mail：zhaiyafangwin@ yahoo．Con．ca (上接第20页)C--{图4 放大及滤波电路图5 峰值检测电路 起缓冲作用 ；C为正反馈型低通滤波器 ，滤除检波信号的高次参考文献： 谐波成分；D为电压跟随器，对滤波信号起缓冲作用。通过调[1] 邓昌建，张江林，王保强．超声波测风仪设计中几个问题的探讨． 节电阻电容值，力求检波信号光滑且峰值点突出。‘成都信息工程学院学报，2007，22(5)：582—583．图6所示为接收信号经过峰值检测后所得波形，硬件延迟[2] 金晶．基于ARM的超声波风速测量系统设计 ：[学位论文]．南京： 引起的波形偏移通过时间补偿进行修正。从图中可以看 出，最南京信息工程大学，2008．[3] 罗中兴．基于 DSP的超声波风速风标测量系统研究：[学位论 终得到的波形效果很好，由于尖峰两侧波形几乎对称，因此可文]．包头：内蒙古科技大学，2009． 以通过取尖峰两侧等电位的时间的中点作为峰值时刻。[4] 丁向辉，李平．基于FPGA和DSP的超声波风向风速测量系统．应用声学，2011，30(1)：46—52．[5] 孙学金，王晓蕾．大气探测学．北京：气象出版社，2009：190—191．[6] STMMieroelectronies．RM0090Referencemanua1．[7] 简盈，王跃科，潘仲明．超声换能器驱动电路及其回波接收电路的设计 ．电子技术应用，2004(11)：3l一33．[8] 刘金鸽，宋寿鹏，马晓昆．基于Boost原理的脉冲超声发射电路设图6 接收信号经放大滤波后输出及检波输出波形计．传感器与微系统，2011(8)：100—103． 3 结束语[9] 周康，辛晓帅．采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计．单文中对基于时差法的超声波风速风向测量原理进行了阐片机与嵌入式系统应用，2011(12)：54—57． 述，选择STM32F407为控制核心给出了系统的总体结构 ，并详[1O] MAXIM．Inc．http：／／china．maximintegrated．corrt／datasheet／index． 细介绍了系统的电路实现。相比其他检测系统 ，本系统通过峰mvo／id／1452． 值检测电路极大地提高了峰值点的识别度，待信号返回处理器作者简介：高中华 (1987一)，硕士研究生，主要研究方向为超声检测及 进行AD采样后便即进行峰值时间的确定，简化了信号处理算嵌入式开发。E—mail：gzh_jjeh@126．com 法，具有一定参考价值。