超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的電路設(shè)計(jì)

高中華，趙　湛，杜利東，方　震，吳少華

(1．中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100190；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100190)

0　引言

風(fēng)與人們的生活息息相關(guān)，準(zhǔn)確及時地獲得風(fēng)信息在農(nóng)作物耕作、工業(yè)風(fēng)道檢測、氣象監(jiān)測、船舶航行、風(fēng)力發(fā)電等方面有巨大的指導(dǎo)意義。相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速儀，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀采用固態(tài)設(shè)計(jì)，沒有旋轉(zhuǎn)部件，不存在因磨損產(chǎn)生的故障和測量誤差，非常適合在惡劣的天氣條件下使用，且原則上啟動風(fēng)速為0，沒有測量上限，是理想的測量風(fēng)速風(fēng)向的儀器[1]，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前在國內(nèi)科研單位的超聲測風(fēng)研究工作中，主要采用諧振頻率為40 kHz和200 kHz左右的超聲換能器。其中，利用40kHz超聲換能器制作的系統(tǒng)精度較低，往往通過采用高主頻的ARM、DSP等處理器和增大探頭間距來提高測量精度，這必然導(dǎo)致儀器結(jié)構(gòu)較大，外形笨重[2-3]。而采用更高中心頻率的超聲換能器意味著對處理器更高的硬件配置要求[4]，這無疑增加了系統(tǒng)的成本。文中從降低系統(tǒng)成本并簡化信號處理算法出發(fā)，對超聲風(fēng)速風(fēng)向系統(tǒng)前端電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中驅(qū)動端選用ICCL7667和脈沖變壓器聯(lián)合升壓提高了四路驅(qū)動信號的一致性，并突破傳統(tǒng)方法中對接收信號進(jìn)行包絡(luò)提取的思想，以著力突出接收信號的峰值點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的峰值檢測電路，提出了簡單易行的峰值時間確定方法。檢波信號降低了接收信號中脈沖干擾的影響，具有良好的穩(wěn)定性。

1　超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀測量原理

超聲波在空氣中傳播的時候，會和風(fēng)向上的氣流速度疊加，若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，它的速度會加快；反之，它的速度會變慢，因而可以通過風(fēng)速分量對超聲脈沖在固定路徑上兩個相反方向的輸送時間差進(jìn)行風(fēng)速測量。文中采用基于直接時差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量，其具有風(fēng)速測量與溫度無關(guān)、無需溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，是目前使用較廣泛的超聲波測量風(fēng)速的方法。

如圖1所示，設(shè)兩個超聲頭的間距為d，無風(fēng)時超聲波的傳播速度為c，風(fēng)速為v，超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)下的傳輸時間分別為t12和t21，則

圖1　超聲風(fēng)速測量原理

(1)

(2)

由式(1)和式(2)得：

(3)

用式(3)可測量出沿超聲換能器方向的風(fēng)速分量，為了測量出水平風(fēng)速，須采用兩組正交的探頭分別測量兩個相應(yīng)分量，合成后即可得到水平風(fēng)速[5]。

2　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制及核心處理器采用STM32F407，STM32F407基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，有1 M的FLASH存儲器及192 K的內(nèi)嵌SRAM，其主頻最高可達(dá)168 MHz，且在168MHz高速運(yùn)行時可達(dá)到210DMIPS的處理能力，其處理數(shù)據(jù)寬度大、時鐘頻率高、具有豐富的資源和高效的處理能力[6]。系統(tǒng)通過STM32F407控制超聲波收發(fā)模塊，當(dāng)其接收到控制指令后有序地進(jìn)行收發(fā)操作，接收信號在二次放大后經(jīng)四階帶通濾波器濾除噪聲及干擾，然后經(jīng)過峰值檢測模塊得到檢波信號，并將其返回處理器進(jìn)行AD采樣及數(shù)據(jù)處理，得出超聲波在不同路徑上的渡越時間，并求出風(fēng)速風(fēng)向值，最后由液晶屏將風(fēng)信息實(shí)時顯示出來。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2．1超聲波收發(fā)電路

系統(tǒng)采用NU200E12TR-1超聲換能器，其中心頻率為200 kHz，收發(fā)探頭的間距為20 cm．激勵超聲波探頭需要對應(yīng)中心頻率的高壓脈沖，常用方法有利用大功率管和變壓器產(chǎn)生激勵脈沖[7]、Boost升壓法[8]、利用開關(guān)管控制直流高壓[9]等。其中，利用大功率管和變壓器搭建的驅(qū)動電路由于使用了較多儲能元件，易受外界的干擾；Boost升壓獲得的激勵脈沖占空比很小，驅(qū)動效率低；而利用開關(guān)管控制直流高壓獲得激勵脈沖一方面存在安全隱患，另一方面不利于系統(tǒng)的小型化。系統(tǒng)將低壓脈沖信號經(jīng)ICL7667升壓到12 V，然后經(jīng)脈沖變壓器升壓獲得激勵脈沖信號，電路結(jié)構(gòu)簡單且四路驅(qū)動信號一致性好。單路超聲收發(fā)電路如圖3所示。其中，脈沖變壓器采用φ16×9×5鐵氧體磁環(huán)作為骨架，初次級線圈繞徑分別為0.49 mm和0.31 mm，其匝數(shù)比為6∶50。最終實(shí)測驅(qū)動電壓峰峰值為80 V，對端探頭接收信號約為25 mV．

圖3　超聲收發(fā)電路

2．2隔離電路

為保證同一時刻只有一對超聲換能器進(jìn)行收發(fā)工作以避開相鄰換能器的影響，系統(tǒng)采用模擬開關(guān)對電路進(jìn)行隔離控制。CD4052是一個雙4選1的多路模擬選擇開關(guān)，系統(tǒng)發(fā)送端和接收端分別用一個CD4052進(jìn)行聯(lián)合控制，保證了超聲頭間的協(xié)調(diào)工作。另外，采用模擬開關(guān)對回波信號接收范圍進(jìn)行隔離控制，也有效避免了超聲驅(qū)動脈沖所引起的干擾。

2．3放大濾波電路

信號經(jīng)過傳播過程中的衰減以及發(fā)射過程中能量的消耗，回波信號十分微弱。為了提高系統(tǒng)的精度，并充分利用STM32的ADC的量程，信號的接收部分需要將信號放大至伏量級。一級運(yùn)放的放大倍數(shù)一般不超過100倍(40 dB)，單級過高的放大倍數(shù)容易引起震蕩，其帶寬也要受到限制。本系統(tǒng)采用雙路低噪聲高速運(yùn)放OPA2227，對超聲波信號進(jìn)行了兩級放大，放大后信號峰值約2 V左右。

由于放大信號中摻雜著噪聲干擾，因此有必要對其進(jìn)行濾波處理。系統(tǒng)采用集成有源濾波器MAX275設(shè)計(jì)了四階帶通濾波器。MAX275具有外接元件少，結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便和不受運(yùn)算放大器本身頻率特性影響等優(yōu)點(diǎn)；且由于沒有外接電容，而且是單片結(jié)構(gòu)，因而高頻場合時受分布電容的影響小，穩(wěn)定性較好[10]。查詢芯片數(shù)據(jù)手冊，結(jié)合超聲換能器中心頻率F0=200 kHz，選取品質(zhì)因素Q=12，HOBP=1，將FC接地時，RX/RY=1/5。根據(jù)以下公式即可求得相應(yīng)電阻值。信號放大及濾波電路如圖4所示。

(4)

RA4=RB4=RA2-5

(5)

(6)

(7)

2．4峰值檢測電路

為測出超聲信號的傳播時間，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確判斷接收信號到達(dá)時間，根據(jù)前輩以往的測量經(jīng)驗(yàn)，通常采用方法有使用高速計(jì)數(shù)器測量[3]、通過包絡(luò)信號峰值判斷[2]、求包絡(luò)信號重心[4]等方法。其中，使用高速計(jì)數(shù)器對計(jì)數(shù)頻率有極高要求，且信號到達(dá)時閾值電壓的判斷極易受環(huán)境的干擾。求包絡(luò)信號峰值需首先檢出接收信號的包絡(luò)信號，傳統(tǒng)思路將接收信號進(jìn)行Hilbert變換求出包絡(luò)信號，但由于包絡(luò)信號峰值處電壓變化頗為平緩，對AD要求極高，且由于采樣和傅里葉計(jì)算的復(fù)雜性，以及大量數(shù)據(jù)的存儲計(jì)算，因此系統(tǒng)務(wù)必具有一定的延遲性。求包絡(luò)信號重心的方法有較高的穩(wěn)定度和抗干擾性，但其算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，對處理器要求很高。

在超聲波測風(fēng)系統(tǒng)中，目的是檢測出發(fā)射信號與接收信號的時間差，因此只要找到接收信號中易于分辨的一個時間點(diǎn)即可。為此，系統(tǒng)選用檢波二極管設(shè)計(jì)了峰值檢測電路，電路簡單且成本低廉。如圖5所示，A具有半波整流結(jié)構(gòu)；B組成電壓跟隨器，在檢波電阻電容網(wǎng)絡(luò)與輸出負(fù)載之間

圖4　放大及濾波電路

起緩沖作用；C為正反饋型低通濾波器，濾除檢波信號的高次諧波成分；D為電壓跟隨器，對濾波信號起緩沖作用。通過調(diào)節(jié)電阻電容值，力求檢波信號光滑且峰值點(diǎn)突出。

圖6所示為接收信號經(jīng)過峰值檢測后所得波形，硬件延遲引起的波形偏移通過時間補(bǔ)償進(jìn)行修正。從圖中可以看出，最終得到的波形效果很好，由于尖峰兩側(cè)波形幾乎對稱，因此可以通過取尖峰兩側(cè)等電位的時間的中點(diǎn)作為峰值時刻。

圖6　接收信號經(jīng)放大濾波后輸出及檢波輸出波形

3　結(jié)束語

文中對基于時差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量原理進(jìn)行了闡述，選擇STM32F407為控制核心給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)。相比其他檢測系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過峰值檢測電路極大地提高了峰值點(diǎn)的識別度，待信號返回處理器進(jìn)行AD采樣后便即進(jìn)行峰值時間的確定，簡化了信號處理算法，具有一定參考價值。

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