嵌入式風(fēng)速風(fēng)向傳感器精度檢測儀

侯云海,董雪芳,劉東東

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

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嵌入式風(fēng)速風(fēng)向傳感器精度檢測儀

侯云海,董雪芳,劉東東

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

以ARM9嵌入式微處理器作為核心控制模塊，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集硬件以及軟件。在傳感器正常工作狀態(tài)下，同時對被測傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過比對偏差來篩選出精度不準(zhǔn)的傳感器。

風(fēng)速風(fēng)向傳感器；精度檢測；嵌入式系統(tǒng)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，2015年全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量為51.1 GW，同比增長53.9%。其中中國風(fēng)電新增裝機(jī)容量為30 500 MW，首次突破3 000 MW大關(guān)，達(dá)到中國風(fēng)電新增裝機(jī)歷史最高水平，占全球份額的48%。2015年中國風(fēng)電累計裝機(jī)容量為14 536 MW，增速達(dá)到近3年最高水平。

伴隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，風(fēng)電場的運(yùn)維管理需求也在逐漸擴(kuò)大。風(fēng)速風(fēng)向傳感器精度檢測儀主要根據(jù)風(fēng)電場的特殊環(huán)境，針對風(fēng)機(jī)上的風(fēng)速風(fēng)向傳感器進(jìn)行設(shè)計研發(fā)，同時對被測傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過數(shù)據(jù)比對，篩選出精度較差的被測傳感器，并將結(jié)果反饋給風(fēng)場主控室，及時更換精度不準(zhǔn)的傳感器，防止風(fēng)機(jī)因不能精準(zhǔn)的偏航校正而導(dǎo)致電量損失等。

1 風(fēng)速風(fēng)向精度檢測儀工作原理

風(fēng)速風(fēng)向精度檢測儀原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)速風(fēng)向精度檢測儀原理

將被測風(fēng)速傳感器與被測風(fēng)向傳感器以及標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速風(fēng)向傳感器在工作狀態(tài)下同時接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以表格形式存儲在離線U盤中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對離線文件進(jìn)行處理，對比被測與標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)據(jù)，分析得出被測傳感器的誤差程度，再由檢修維護(hù)中心相關(guān)人員判定是否更換傳感器。

1.1 風(fēng)速風(fēng)向傳感器工作原理

風(fēng)速風(fēng)向傳感器為機(jī)械轉(zhuǎn)動式傳感器，感應(yīng)風(fēng)機(jī)機(jī)艙外的空氣流動，對空氣流動速度和方向進(jìn)行監(jiān)測及光電轉(zhuǎn)換，輸出電流或電壓信號，再進(jìn)行數(shù)字量化、時間平均等處理后進(jìn)行存儲，作為風(fēng)機(jī)偏航調(diào)整與葉片角度調(diào)整的重要參數(shù)[1]。

1.2 風(fēng)速傳感器的基本原理

以雷奧公司的LE2152金屬風(fēng)速傳感器為例，對常用型風(fēng)速傳感器原理進(jìn)行介紹。傳統(tǒng)的三杯式風(fēng)速傳感器，三個輕質(zhì)錐型風(fēng)杯隨風(fēng)轉(zhuǎn)動，在測量范圍內(nèi)能提供良好的線性輸出。截光盤隨中心軸轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動一圈就切割光束一次，光電轉(zhuǎn)換裝置就會產(chǎn)生一個脈沖。因此，輸出脈沖的速率與風(fēng)速成正比。然而由于精度要求，需要對啟動慣量和輕微過速進(jìn)行補(bǔ)償[2]。

傳感器內(nèi)部的加熱元件使整個軸承在寒冷的天氣下仍能保持不凍結(jié)。它一般能提供10 W的加熱功率。在傳感器支架處設(shè)一熱動開關(guān)，使之在低于4 ℃時啟動加熱裝置。

1.3 風(fēng)向傳感器的基本原理

風(fēng)向信號產(chǎn)生來源于風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)軸，風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)軸連接一個7位的格雷碼光盤，風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動格雷碼光盤轉(zhuǎn)動。碼盤從內(nèi)到外依次做21、22、23、24、25、26、27等分，相鄰份依次為透光與不透光，碼盤兩側(cè)的同一半徑上連接有7對光電耦合器件，對應(yīng)輸出7位格雷碼。碼盤上面安裝有一組(7個)紅外發(fā)光二極管，下面有一組光電轉(zhuǎn)換器(7個)，都正對碼盤的7個軌道。隨風(fēng)向標(biāo)的轉(zhuǎn)動，碼盤下面的光電管接收到電碼發(fā)生變化，每一個格雷碼代表一個風(fēng)向，分辨率為5.6°～0.7°。傳感器有格雷碼、電壓、電流3種輸出方式[3]。

同樣，在風(fēng)向傳感器的內(nèi)部也裝有內(nèi)部加熱元件來避免低溫故障。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)風(fēng)電場運(yùn)維的環(huán)境需要，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要選用小型化、集成化以及具有便攜特點(diǎn)的設(shè)計方式，硬件平臺采用基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，充分利用ARM9片上豐富的外設(shè)資源，使系統(tǒng)的體積小、性價比高、集成度高、可靠性好。硬件結(jié)構(gòu)功能包括核心控制器、電源模塊、人機(jī)交互模塊、信號處理模塊、傳感器接口等部分[4]，如圖2所示。

2.1 核心控制器

核心控制器選用型號為QT-S3C2410的32位嵌入式RISC微處理器，其主頻可以達(dá)到203 MHz，采用5級流水線，片上資源豐富，其中包括帶存儲管理單元MMU、外部存儲控制器(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主機(jī)接口和1通道的USB設(shè)備接口，以及4通道的PWM定時器和一個內(nèi)部定時器、Watchdog、GPIO、8通道的10位ADC和觸摸屏接口等，滿足設(shè)計需求，并且集成度高，穩(wěn)定性好，適用于高性能、低功耗的便攜式智能設(shè)備、終端以及人機(jī)界面等[5]。

2.2 電源管理模塊

外部鉛蓄電池提供5 V直流電壓，通過底板上的低壓差線性電壓源芯片AMS1117-3.3將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V提供給核心控制器上的SDRAM、FLASH以及CPU的接口和外設(shè)使用。AMS1117-1.8再將3.3 V電壓調(diào)整為1.8 V供CPU內(nèi)核使用[6]。

圖2 硬件功能模塊框圖

2.3 人機(jī)交互LCD接口

QT-S3C2410可以外接TFT、STN等類型的LCD。本設(shè)計選用的信捷TG865-ET顯示屏，該觸摸屏是TFT型透反式液晶顯示屏，TFT作為開關(guān)器件，內(nèi)置垂直水平驅(qū)動器，集成四線電阻式觸摸屏和背光電路。通過0.2 mm間距的40 pin插座與主板連接。由于觸摸屏的工作電壓為24 V，需要單獨(dú)使用TPS61042將蓄電池5 V電壓升至24 V，完成觸摸屏供電。

2.4 數(shù)據(jù)采集電路

由于QT-S3C2410沒有提供片內(nèi)ADC的模擬輸入引腳，因此設(shè)計了通用數(shù)據(jù)采集電路，主要功能模塊包括電平轉(zhuǎn)換電路、譯碼邏輯單元、8路模擬輸入通道和16位數(shù)字I/O通道，結(jié)合前向輸入端的信號調(diào)理(如限幅、濾波、轉(zhuǎn)換和隔離等)，就可以采集和處理各類現(xiàn)場模擬信號以及控制開關(guān)量的輸入輸出。采集電路如圖3所示。

圖3 采集電路

2.5 傳感器接口

傳感器接口電路用于區(qū)分傳感器類型，可以根據(jù)輸出信號為電壓、電流或者頻率選擇不同的接口，提高了設(shè)備的通用性。另外，由于ADC的參考電壓設(shè)置為3.3 V，因此，電流型傳感器需要將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)設(shè)備需要設(shè)置4個傳感器接口，分別為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速、準(zhǔn)風(fēng)向傳感器接口，被測風(fēng)速、風(fēng)向傳感器接口。

2.6 數(shù)據(jù)存儲

在數(shù)據(jù)存儲部分，內(nèi)部FLASH預(yù)留出64 K字節(jié)用于系統(tǒng)應(yīng)用，剩余字節(jié)用來存儲采集數(shù)據(jù)，當(dāng)內(nèi)部FLASH存滿時自動切換到SDRAM存儲。FLASH和SDRAM的存儲容量決定可以采集到傳感器的數(shù)據(jù)大小。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括終端主控軟件以及離線數(shù)據(jù)處理軟件兩部分。終端主控軟件運(yùn)行于嵌入式硬件平臺，完成現(xiàn)場的采集工作及數(shù)據(jù)存儲工作。離線數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能是轉(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)格式，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得出被測傳感器的性能參數(shù)。

3.1 終端主控軟件

選擇Windows-CE操作系統(tǒng)，基于ST公司的CMSIS標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)，主要設(shè)置QT-S3C2410啟動、A/D數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字I/O、LCD顯示和觸摸屏控制程序[7]。

其中，S3C2410X啟動程序完成系統(tǒng)上電或復(fù)位后的一些初始化工作。A/D數(shù)據(jù)采集程序通過AD7892完成對模擬輸入信號的連續(xù)采集和定時采集，對采集數(shù)據(jù)可進(jìn)行濾波、時域參數(shù)檢測及頻譜分析等處理操作。數(shù)字I/O程序?qū)崿F(xiàn)對16位數(shù)字量進(jìn)行輸入/輸出控制。LCD顯示程序負(fù)責(zé)信號波形及各項(xiàng)時域參數(shù)檢測結(jié)果的實(shí)時顯示。觸摸屏控制程序可實(shí)現(xiàn)一些簡單的人機(jī)交互功能。

3.2 離線數(shù)據(jù)處理軟件

離線數(shù)據(jù)處理軟件是安裝在PC機(jī)上，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算單獨(dú)設(shè)計開發(fā)的軟件，其數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是指完成對傳感器采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取、數(shù)據(jù)分類以及打包存儲的數(shù)據(jù)分析功能[8]。

4 數(shù)據(jù)分析

在采集前端，數(shù)據(jù)的采樣頻率為每秒采集一次，采集的數(shù)據(jù)以CSV表格形式存儲，可以在PC機(jī)上直接用EXCEL表格打開，數(shù)據(jù)具有很高的可讀性。

分析軟件對風(fēng)速的采樣數(shù)據(jù)分析原理是：將標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速從小到大排序，并取得同一采樣周期內(nèi)與被測風(fēng)速的差值絕對值，然后取每0.2 m/s步長內(nèi)差值的平均值，并繪出表格。風(fēng)速測量偏差圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)速測量偏差圖

由此可知，曲線的幅值越大，則被測傳感器的精度越差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中曲線2所代表的風(fēng)速傳感器精度大于0.5 m/s風(fēng)速時，精度均較差。

風(fēng)向采樣數(shù)據(jù)的分析原理：將標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速從小到大排序，取同一個采樣周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向與被測風(fēng)向的差值絕對值，值得注意的是當(dāng)差值大于180°時，取360°減去差值絕對值的結(jié)果。然后取0.2 m/s步長內(nèi)的平均值，并繪出表格。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 風(fēng)向偏差圖

在風(fēng)速較小時，兩被測風(fēng)向傳感器的精度均較差，這可能是由于風(fēng)速過小時，風(fēng)向傳感器由于慣性滯留停止位引起的，而在風(fēng)速大于3.8 m/s時，曲線1所代表的風(fēng)向傳感器精度越來越高，曲線2代表的風(fēng)向傳感器精度隨風(fēng)速的增大而降低。

風(fēng)電場的運(yùn)維專業(yè)人員可以根據(jù)分析結(jié)果對傳感器的性能做出評價，做出繼續(xù)使用或者更換的決定。

5 結(jié) 語

風(fēng)速風(fēng)向傳感器精度檢測儀的設(shè)計滿足了通用性強(qiáng)、低功耗、便攜可靠的應(yīng)用需求。設(shè)計的基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊具有高性價比、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，配合同步開發(fā)的PC數(shù)據(jù)分析軟件，不僅可以應(yīng)用于風(fēng)電運(yùn)維，在氣象監(jiān)測等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。另外，對電源的設(shè)計還可以增加光伏電池模塊，適應(yīng)野外操作。

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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

吉林省教育廳基金資助項(xiàng)目(吉教科合字[2015]第055號)

侯云海(1970-)，男，漢族，吉林永吉人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事電力變換與節(jié)能技術(shù)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