基于ARM+CPLD的高精度超声波风速仪的设计*

吴宗玲，闫连山，曾德兵，陈娟子

（西南交通大学信息光子与通信研究中心，四川成都 610031）

0 引言

1 超声波风速风向测量原理［3，4］

在自然环境中，风速、风向可能是随机变化的，为了能够准确地测量风矢量信息，本文采取将两对收发一体的超声波探头相互垂直放置，两两相对呈180°且每对超声波探头间距离相等，安装在同一水平面上，分别表示东、南、西、北（如图1（a），（b）所示）。以相同频率发射超声波信号并测量其顺、逆向的传播时间。通过相应计算，可以得到风速、风向的数值，其所测得的结果为平均的水平风速、风向，在对应的坐标上表示，如图1（c）所示。

假设南北（东西）两对超声波收发器间的距离均为L，超声波顺、逆传播时间为t南北，t北南，t东西，t西东。其中，t西东为超声波由西到东、t东西为由东到西、t南北为由南到北、t北南为由北到南传播所需时间，风速为VW，东西分量为V东西，南北分量为V南北，超声波传播速度为VS。根据时差法可求得

东西方向上风速为

图1 超声波风速风向仪的结构与原理Fig 1 Structure and principle of ultrasonic wave anemometer

南北方向上风速为

于是，风向角

认识是第一位的，只有提升事业单位人员的整体素养，提升他们对人事档案管理的充分认识，才能真实记录和完整反馈事业单位各项人事关系，真正为事业单位发展提供决策依据。

根据式（3）和式（5）可得出以下结论:

1）只须测得超声波顺、逆传播时间t南北，t北南，t东西，t西东便可以求得当前被测风速和风向，且与超声波传播速度VS无关，而超声波的传播速度主要受温度影响，所以，本设计也基本消除了环境温度对测量结果的影响［5］;

2）由于对超声波传播时间的测量精度将直接影响到系统最终的性能，假设两对超声波传感器间的距离L=15 cm，VS=340m/s，则传播时间t=0．44ms，因此，要求系统具有较快的测量速度和计算精度，本文采用ARM+CPLD的方法，其中，超声波传播时间测量单元的时钟为100 MHz，完全可以达到设计要求，并结合ARM强大的运算处理能力，以满足测量速度快、计算精度高的要求。

2 超声波风速风向测量系统设计

2．1 系统总体设计

采用NXP公司的ARM和Altera公司的CPLD芯片作为核心处理器，控制超声波传感器驱动电路、超声波信号放大和接收电路、系统计时电路、运算处理电路和外设接口电路，具体结构框图如图2所示。

图2 系统整体设计框图Fig 2 Block diagram of the overall system design

超声波驱动单元接收中央处理器的命令，产生驱动超声波探头的脉冲，并驱动超声波探头发射超声波;时间测量单元与超声波发射和接收电路相连，用于测量超声波从发射到接收所传播的时间;运算处理单元用于进行数据的采集、处理，并发出各种控制命令;通信接口单元给用户终端提供相应的数字接口，进行数据通信;电源单元将输入电源转换成系统各部分所需要的电压。

2．2 功能单元实现

2．2．1 超声波驱动电路

首先，将由中央控制器发出命令，使得CPLD单元产生10个频率为300kHz的方波脉冲，这10个脉冲经过相应的升压电路，将脉冲的峰峰值升到600 V左右以较好地驱动超声波传感器。图3为驱动电路脉冲的实际测量波形示意图。

图3 超声波驱动脉冲Fig 3 Pulse which drives ultrasonic wave sensor

2．2．2 超声波接收和放大电路、计时单元

超声波探头所接收到的信号是非常微弱的，必须要进行相应的放大才能正确地判决其到达时间，首先将接收信号通过运放进行足够的放大，再送入施密特触发器将其变成可被CPLD识别的数字信号，最后通过CPLD将其到达时间测量出来。如图4所示（发射信号是10个驱动脉冲;接收信号是经过施密特触发器后的判决信号）。

图4 超声波接收信号Fig 4 Measured receiving signals of ultrasonic wave

2．2．3 数据采集、处理单元

基于NXP公司的ARM芯片具有较高的数据处理能力、控制驱动能力、功能强大的电路接口设计能力，本文采用其来进行相应的控制和数据处理。首先，将CPLD测量的超声波传播时间t南北，t北南，t东西，t西东发送到 ARM 芯片，然后，运用式（3）、式（5）分别计算出风速和风向的相关数据，这样就完成了一次风速风向的测量。

3 风速风向数据处理

将若干次单独测量的结果进行相应的平均、滤波处理，从而得到最终的测量数据。一种较好且有效的处理方法是中位值平均法［6］，即去掉最大和最小的几个数再平均，这样所测得的数据更加符合实际情况。

然而，在进行角度平均的时候会遇到这样的问题:假设正北方向为0°（360°），那么由于风向的不稳定性，在测量正北方向附近时可能测出来的风向结果是2°也可能是358°等，这样如果直接平均处理的话就会出现严重的错误。本文所提出的方法是:先将要平均的风向角（N组）进行排序，再将排序后的数据，取最大值与最小值之差，如果其大于300°，则将最小值加上360°，并重新进行排序，这样反复查找直到全部都满足要求。最后将所得的数据再进行中位值平均处理，若其最终结果大于360°，则减去360°即可，这样就完全解决了因为临界角0°（360°）而带来的角度测量不准问题。

4 气压数据对风速的修正［7］

在某些应用场合，比如:风力发电、风能监测等，需要测量出其绝对风速（风能的大小），这不仅和相对风速有关，而且还与空气密度有密切关系。而空气密度可以用气压来衡量，所以，本文采用了气压传感器来测量当前大气气压，并将其测量结果对超声波风速仪所测得的相对风速值进行修正，以得到绝对风速数据。本文所采用的气压芯片是BMP085，其测量范围可以达到300～1 100 hPa，测量精度可以达到0．01 hPa，在一定程度上保证了系统测量结果的准确性。

5 系统实验

利用一个小型风洞对所设计的系统进行标定，用一台电机向风洞中吹风，通过调节控制电机的变频器从而得到不同的风速值，本系统采用的是300 kHz的超声波传感器，实验环境温度为24．7℃，相对湿度72%RH，大气压力948．4 hPa。共取值11组不同风速的测试点，每组数据包含18个测量值，并将测量数据经过最小二乘法拟合以观察其线性度，如图5所示。受风洞条件所限，对于风速高于25 m/s的情况，没有进行测试。

图5 系统风速标定结果Fig 5 Result of wind speed calibration of the system

6 结束语

本文研究设计了基于ARM+CPLD的超声波风速风向仪，给出了风速风向的理论模型和计算方法，验证了一种解决在测量临界角0°（360°）时所带来角度误差问题的算法，并提出了一种测量绝对风速值的理论模型和具体实现，对风能监测与风力发电有重要的参考意义。与传统的风速风向测量系统相比其具有以下优点:

1）本系统采用的是收发一体式超声波传感器，基本消除环境温度对测量结果的影响，且具有测量精度高、速度快、启动风速为零、抗腐蚀等优点;

2）本系统采用ARM+CPLD为主控芯片，系统更为灵活、完备，功能更为强大，因此，本系统不仅检测速度快、准确度高，而且还具有广阔的升级空间;

3）本测量系统无机械转动部件，不存在磨损而带来的老化、损坏问题，在一定程度上提高了系统的可靠性和准确性;

4）提出了一种测量绝对风速的理论模型，可以更为精确地反映风速风向物理意义。

［1］ 陈 梅，洪 飞，李 鑫，等．风速风向传感器在风机控制中的应用与研究［J］．自动化技术与应用，2008，27（4）:38 －41．

［2］ 程 刚，林向真．超声波风速仪［J］．应用声学，1982，1（2）:28－30．

［3］ 曹长宏，蒋立辉．高精度超声波测风仪的设计［J］．传感器与微系统，2010，29（2）:87 －89．

［4］ 罗中兴，魏毅立，施静伟．基于DSP的超声波测风仪［J］．声学与电子工程，2009（2）:39－41．

［5］ 唐慧强，黄惟一，李 萍，等．基于 DSP的超声波风速测量［J］．东南大学学报，2005，21（1）:21 －23．

［6］ 朱土明，刘镇清，魏墨庵，等．提高测量声时精度的过零检测数字平均法［J］．声学技术，1990，9（3）:36 －39．

［7］ 吴永忠，韩 雪，王世峰，等．以空气密度修正风力发电机组上网发电量方法的分析［J］．可再生能源，2008，26（6）:79－81．