基于時差法的高精度超聲波風速風向測量系統(tǒng)

楊陽陽，崔永俊，侯鈺龍

(中北大學儀器與電子學院，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，電子測試技術國防科技重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

隨著我國橋梁建造技術的快速發(fā)展，高橋墩，跨度大的懸索橋越來越多。尤其是在偏遠山區(qū)和海灣地區(qū)，由于地理環(huán)境的因素，橋址所在區(qū)域風速風向無法預知，風對橋梁的影響非常大[1]。雖然懸索橋都是經(jīng)過科學的計算和仿真之后才建成的，但是風的變化有時候無法預知。因此，對懸索橋的風速風向監(jiān)測是很有必要的。目前市場上的風速風向儀能夠有效地測量出風速和風向。但是存在測量精度低、誤差大的問題，尤其是對山區(qū)和海灣區(qū)域所在的懸索橋，普通的風速風向儀不能及時準確測量研判，導致安全事故發(fā)生。因此，設計一款基于超聲波換能器和高精度時間測量芯片MS1022的風速風向測量系統(tǒng)，獲得高精度的風速風向數(shù)據(jù)，對懸索橋的安全性和行車安全及時準確研判具有重大意義。

1 系統(tǒng)的工作原理及整體設計方案

1.1 系統(tǒng)的工作原理

超聲波測風速風向的基本原理是時差法。4個超聲波換能器二維正交分布，STM32控制切換收發(fā)模式，可分別獲得超聲波換能器在順風和逆風狀態(tài)下的接收情況。在順風情況下，超聲波速度與風速疊加，導致傳播速率加快。在逆風情況下，超聲波速度與風速相抵，導致傳播速率的減緩[2]。固定相對2個超聲波換能器之間的距離L，根據(jù)超聲波在順風和逆風狀態(tài)下傳播速率的不同，可知順風和逆風傳播時間不同[3]。測量原理示意圖如圖1所示。其中，v表示風速，c表示聲速。

超聲波在順風中傳播速度為c+v，逆風中傳播速度c-v，得到順風中傳播時間：

(1)

和逆風中傳播時間：

(2)

由此可得在東西方向的風速為

(3)

同理可得南北方向的風速為

(4)

式中：tsn為從南到北測量的時間；tns為從北到南測量的時間。

因此，可得風速為

(5)

風向為：

(6)

1.2 系統(tǒng)整體設計方案

超聲波風速風向系統(tǒng)主要包含微控制器最小系統(tǒng)、收發(fā)一體式超聲波換能器及其驅(qū)動電路、高精度時間測量模塊、LoRa無線收發(fā)模塊、電源供電模塊以及上位機。信號發(fā)射端超聲波換能器發(fā)送脈沖，信號接收端超聲波換能器接收回波信號，利用MS1022測量中間的飛行時間。反推計算出風速和風向，將數(shù)據(jù)通過LoRa無線收發(fā)模塊發(fā)送給上位機，在上位機上實時顯示，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 回波信號調(diào)理電路

超聲波換能器接收的回波信號是一個高頻的mV級弱信號，為了準確測量，需要對超聲波換能器的回波信號進行濾波、放大等信號調(diào)理，經(jīng)過調(diào)整后的回波信號作為輸入信號傳輸?shù)組S1022高精度時間測量模塊進行時間差的精確測量。系統(tǒng)濾除雜波可以選用低成本、高速度、軌到軌運算放大器芯片AD8052，芯片內(nèi)部由2個獨立的運算放大器組成，外接相應的電阻電容組成負反饋二階帶通濾波器[4]。負反饋二階帶通濾波器如圖3所示。

圖3 負反饋二階帶通濾波器

濾波結(jié)束用AD8310進行對數(shù)放大，AD8310具有很高的增益和帶寬。在很寬的頻率范圍內(nèi)，對輸入的信號很敏感，AD8310的信號輸入方式通常是單端輸入。INLO與地面串聯(lián)電容，輸入信號通過與INHI串聯(lián)的另一個電容耦合進來。與INLO和INHI串連的2個電容應具有相同的值，以減少啟動瞬變。放大電路如圖4所示。

圖4 放大電路

2.2 高精度時間測量電路

高精度時間測量電路由MS1022高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片及其外圍電路組成，可以計算出超聲波在空氣中的飛行時間。系統(tǒng)中使用2片MS1022芯片，一片測量東西方向，一片測量南北方向，2對超聲波換能器垂直正交。風速風向測量裝置相對的2個換能器之間的距離很短，所以超聲波從發(fā)送到接收的時間很短，MS1022是一款高精度的時間測量芯片，測量精度能夠達到19 ps。單片機控制1個MS1022產(chǎn)生2 MHz的脈沖信號通過FIRE_UP和FIRE_DOWN分別驅(qū)動相對的2個225 kHz的超聲波換能器。32.768 kHz的石英晶體連接在CIN和COUT引腳上作基準時鐘，4 MHz的陶瓷晶振連接在XIN和XOUT引腳上作校準時鐘，使計時更加精準。MS1022通過SPI總線與STM32進行通信。每個MS1022高精度時鐘芯片與STM32共有7根線相連，4根用作SPI的數(shù)據(jù)通訊，INTN用來控制中斷的開啟與關閉，可以讀取狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)用來判斷數(shù)據(jù)是否溢出。單片機產(chǎn)生Start信號控制FIRE_UP和FIRE_DOWN驅(qū)動超聲波換能器。RSTN控制測量芯片的復位[5-8]。高精度時間測量電路如圖5所示。

圖5 高精度時間測量電路

2.3 LoRa無線傳輸技術

LoRa無線傳輸技術是基于SX1278擴頻芯片的遠距離無線傳輸技術，具有遠距離、低功耗特點，屬于LPWAN通信技術。LoRa無線傳輸技術有透明傳輸、定向傳輸和廣播與數(shù)據(jù)監(jiān)聽等傳輸方式。對于橋梁上的風速風向數(shù)據(jù)傳輸，選擇點對點的透明傳輸方式，快速準確、高效地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控[9]。

2.4 電源供電電路

穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)高效運行的關鍵，系統(tǒng)中有3種不同的電源類型，超聲波換能器使用的是12 V電源供電，MS1022高精度時間測量單元和LoRa無線傳輸單元使用5 V供電，STM32單片機使用3.3 V供電。系統(tǒng)外接220 V交流電經(jīng)過反激式開關電源轉(zhuǎn)成12 V/1 A的直流電源，12 V電源經(jīng)過MP1584芯片(BUCK電路)轉(zhuǎn)成5 V/1 A的直流電源，5 V電源經(jīng)過HT7333芯片(LDO電路)轉(zhuǎn)成3.3 V/500 mA的電源，滿足整個系統(tǒng)的電源需要。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要實現(xiàn)STM32對MS1022芯片的控制，并將MS1022測得的數(shù)據(jù)通過LoRa無線模塊傳輸給上位機進行處理顯示。系統(tǒng)軟件主流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件主流程圖

3.1 時間測量程序設計

系統(tǒng)上電之后，開始配置寄存器，單片機發(fā)送0x50，開始進行時鐘的校準，校準完成之后開始測量，單片機發(fā)送0x03觸發(fā)MS1022產(chǎn)生脈沖信號，控制超聲波換能器開始工作。開啟中斷模式，利用MS1022第一檢波功能，EN_START端口使能Start信號，當接收到Start信號時開始計時，當接收到Stop信號時，完成一次時間間隔的測量。INTN被拉低，STM32根據(jù)INTN端口的數(shù)據(jù)變化發(fā)送0xB4讀取MS1022狀態(tài)。進而可以判斷數(shù)據(jù)是否溢出。判斷沒有溢出，STM32發(fā)送0xB3指令直接讀取時間間隔數(shù)據(jù)并存儲到寄存器。至此，一次測量完成。循環(huán)測量時間間隔，利用滑動窗口濾波算法對數(shù)據(jù)進行處理，獲得更加精確的有效時間[10-12]。采集完時間之后根據(jù)章節(jié)1.1的原理公式反推出風速風向的數(shù)據(jù)信息。時間測量程序設計流程圖如圖7所示。

圖7 時間測量程序設計流程圖

3.2 滑動窗口濾波

為了獲得更高精度的時間差值，只有硬件的濾波是不行的，還需要通過軟件濾波算法。超聲波采集的時間非?？欤瑒哟翱跒V波善于對變化快的信號進行濾波。滑動窗口寬度的大小影響濾波算法對系統(tǒng)的適用性。窗口過小，會丟失有效數(shù)據(jù)，窗口過大，增加了無效數(shù)據(jù)對測量的影響。經(jīng)系統(tǒng)測試驗證，設置滑動窗口寬度為6，能達到最佳濾波效果。將MS1022讀取的時間差利用冒泡排序法從小到大排序，刪除多余的無效值。將采集到的6個數(shù)據(jù)取平均值，將平均值作為測量的最佳估計值。在計算下一次最佳估計值之前，將新測量的數(shù)據(jù)放入最左邊，并將最右邊的舊數(shù)據(jù)丟棄[13]。遵循“先進先出”原則，數(shù)據(jù)從左向右依次遞推，相當于滑動窗口的操作。再取算數(shù)平均運算，獲得新的濾波結(jié)果?；瑒哟翱跒V波算法示意圖如圖8所示。

圖8 滑動窗口濾波算法示意圖

3.3 上位機程序設計

為了在電腦上顯示獲取的數(shù)據(jù)，利用LabVIEW進行上位機程序設計，利用VISA函數(shù)編寫I/O接口程序，把單片機采集的數(shù)據(jù)與電腦通過LoRa無線傳輸連接起來。設置基本的交互界面，實時顯示風速風向。將風速風向數(shù)據(jù)放在同一個sprintf函數(shù)中打包發(fā)送至上位機，通過LabVIEW自帶的字符串截取函數(shù)截取風速、風向分別顯示。上位機設計了電子羅盤，可直觀地判別風向方位。

4 測量結(jié)果與分析

風速風向測量實驗中將系統(tǒng)樣機安裝角度與地面平行，將系統(tǒng)樣機測試數(shù)據(jù)與WindMaster Pro風速風向儀測試數(shù)據(jù)進行對比，WindMaster Pro風速量程為0～65 m/s，風向量程為0～359°，風速的分辨率為0.01 m/s，角度的分辨率為0.1°，具有標準參照價值。將數(shù)據(jù)通過LoRa無線模塊上傳至上位機，圖9為上位機接收顯示界面。將上位機讀取的數(shù)據(jù)進行保存分析，風速和風向的測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 135°方位角下風速測量數(shù)據(jù)表 m/s

表2 18 m/s風速下風向測量數(shù)據(jù)表 (°)

從數(shù)據(jù)可以分析出，系統(tǒng)樣機在低風速時測量風速略有較大偏差，在中高風速時基本可以準確地測量出實際風速，偏差較小。其次可以從數(shù)據(jù)看出，該系統(tǒng)測量風速的絕對誤差小于0.1 m/s，風向角誤差非常小。

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)懸索橋上風速風向的測量，解決現(xiàn)有測量裝置精度低、誤差大等問題，設計基于時差法的高精度超聲波風速風向測量系統(tǒng)。系統(tǒng)選用了最小時差測量分辨率為19 ps的MS1022芯片，準確地測量到風速風向信息，并通過LoRa技術傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)風速測量誤差在±0.1 m/s以內(nèi)，風向測量偏差不超過0.8°。達到了數(shù)字風速儀的行業(yè)標準，能夠準確地監(jiān)測懸索橋的風速風向，為懸索橋安全和行車安全提供了安全監(jiān)測的保障。