基于时差法的超声波测速向仪设计与实现

王 斌，陈玉林，张 超，张广斌

（南京航空航天大学，江苏 南京 211106）

风矢层是最基本的气象要素之一。也是大气边界层最基本的特征量之一。对风速的测量有着重要的实用价值，例如现代舰船及机场、风力发电站都装有风速测量装置。当前所使用的风速仪种类繁多，工作原理和性能也各不相同，其中使用较多的是机械式风速仪，例如常用的风杯式和螺旋桨式风速仪。但由于机械式风速仪的测量部分是旋转部件，在强风和长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，而且存在“过高效应”[1]，造成测量精度不高，使用条件受到制约。近年来，随着电子技术的发展，出现了许多新的风速风向测量方式，如激光风速仪、超声波风速仪、高集成度的MEMS风速仪等等，这些新型风速仪体积较小，无机械部件，寿命长，而且有的精度很高，正在逐步取代传统机械式风速仪，应用越来越广泛。

超声波风速仪是新型风速仪中性能较为突出的一种，精度普遍为0.1m／s，不仅结构简单、坚固耐用，而且能准确测出自然风中阵风脉动的高频成分。较之传统的机械式及基于激光多普勒、空速管、热线等技术的测量方法，基于时差法的超声波风速风向测量技术具有无启动风速、反应速度快、量程广、盲区小、线性度好、精度高和无机械磨损、易于安装维护、不需校正等优点[2]。

目前市场上销售的成熟产品有芬兰Vaisala公司的WS425和英国的GILL等型号，都包括二维和三维测风向产品，有的还能构建无人值守气象站。目前国内类似产品只有近年的几例，但性能均有很大缺陷，且价格不菲[3]。中介绍的测速测向仪具有测量精度高（理论值为0.03～0.5），采用单向测量技术，成本低廉，功能拓展方便等优点。

1 测速测向仪工作原理

1.1 基本工作原理

超声波风速测量技术主要的原理是，利用超声波在顺风路径和逆风路径上的传播速度的不同，检测出两个路径的传播时间或者时间差来获得风速信息，将反馈信息以LCD显示和语音播报的形式反馈给外界，并响应输入信息进行运算。测量的难点在于准确测量超声波信号的到达时间。此外为了实现瞬时的风速风向采样，需要系统具有较强的计算和处理能力。采用MSP430单片机，利用丰富的片上资源，在体积、功耗和速度等性能方面具有显著优势。

1.2 基于时差法的测量原理

根据超声波在静态空气中的传播特性，及对弱超声波条件下风对声速的影响做泰勒分析

可知，在声速近似为340m／s风速小于30m／s的情况下，风对声速的影响近似成线性关系[4]。因此，超声波在空气中传播固定距离时，顺风逆风传播存在一个时间差，这个时间差与待测风速在低速情况下具有近似线性关系。实际应用中，选用一对超声波收发一体换能器，保证距离不变，以固定频率发射超声波，测量两个相对方向上的超声波到达时间，由此得到顺风或者逆风的传播速度，经过程序换算即可得到风速值。见图1，用超声脉冲激励超声探头（换能器S）向外辐射超声波，同时换能器N接收发射过来的超声波脉冲。设空气中声速为c，风速为v，一组换能器轴线与风向的夹角为θ，换能器的距离为L。在有风条件下，超声波在制定矢量路径上的传播时间为：

通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的射程时间t，利用公式：

在声速已知的情况下，就能够测量出风速在传感器轴向方向的速度分量。测出x，y，z轴的分量再引入根据MAG3110传感器获得的地磁三轴地磁数据的出的指南角度即可得到风向信息。

图1 风速测量原理图

在超声的传播过程中，许多因素会对传播速度造成影响，压强、介质密度、风向、温度等因素都会通过影响速度进而影响距离测量，一般工程上只考虑温度影响，近似有c＝331.4＋0.607T。由于本仪器对灵敏度要求较高，因此在选择测量长度L时还应考虑超声波的强度A与L的关系：A＝A0e-αL，其中α是衰减因子[5]。因此我们把探头之间的距离设计为40cm左右。

1.3 参数测量

利用MSP430时钟频率可设的特点，采用计量精度为0.125ns的定时器，在理论上讲测量精度由普遍的0.1m／s提高到0.03～0.05m／s。为了减少每次测量过程中的误差，避免测量失真，在一次测量中使换能器发射八段等时差的脉冲，计算八个脉冲到达时间的平均值。

1.4 系统总体框架

系统设计如图2所示。采用MSP430作为核心处理器。

图2 系统设计图

MSP430通过I0接口控制超声波驱动模块，进而发射超声波，当接收探头接受到超声波信号，又会通过超声波驱动模块反馈给MSP430，于是得到传播时间，再加上温度传感器采集的温度数据，之后经过软件计算，分别连接LCD显示和语音芯片，通过两种方式输出所得结果[6]。

1.5 系统软件模块

系统测量的总流程图如图所示。当接收到MSP430开始测量的命令之后，S1发射信号，S2接收，将获得的时间数据储存在数组X（东西方向）。然后由S3发射，S4接收，将得到数据储存在数组Y（南北方向）。重复10次，经过数据处理计算出两个垂直方向的风速和方向信息。数据处理的内容包括对10个数据进行排序，去掉最大和最小的4个数据。对中间的6个数据进行平均。最后的数据经过补偿和计算从而得到风速。正交方向上的风速经过三角计算，引入根据MAG3110传感器获得的地磁三轴地磁数据的出的指南角度，合成水平面上的风速和风向。

2 系统硬件结构

2.1 单片机模块

MSP430系列单片机，见图3，是美国德州仪器（T1）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用多个不同功电路、数字电微处理器集芯片上，以提需求，将能的模拟路模块和成在一个供“单片机”解决方案。该系列单片机具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境等诸多优点。

图3 MSP430单片机

2.2 超声波驱动模块

超声波驱动模块采用I0TRIG触发，给予至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回[7]。超声波时序图如图4所示。

图4 超声波时序图

超声波驱动模块如图5所示：

图5 超声波驱动模块

2.3 DS18B20温度传感模块

由于超声波的传播速度跟温度有关，所以系统需要添加温度传感模块，并利用温度数据对所得结果进行修正。温度传感模块采用DSl8B20温度传感器，通过I0口连接MSP430。电路原理图如图6所示。

图6 电路原理图

2.4 LCD液晶显示屏模块

系统的输出结果通过LCDl2864显示屏显示。带中文字库的128×64是一种具有4位／8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8 192个16.16点汉字和128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。LCD12864具有20个管脚，其与MSP430连接的电路原理图如图7所示。

图7 LCD12864与MSP430连接的电路原理图

2.5 电源稳压及电压转换模块

为了给MSP430芯片以及其他用电设备提供一个稳定的直流电压，需要电源稳压模块。但由于普通芯片或者外围设备的工作电压为5V，而MSP430所需的电压为3.3V，所以系统需要单独为MSP430芯片添加电压转换模块。具体的电路原理图如图8所示。

图8 电压转换模块的电路原理图

图9 ISD1730电路原理图

2.6 ISD语音播报模块

ISD1730是ISD公司最新推出的单片高音质语音录放电路，该芯片提供多项创新功能，包括多信息管理系统，新信息提示，双运作模式，以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等全方位整合系统功能[8]。具体的电路原理图如图9所示。

2.7 MAG3110传感器

MAG3110是由飞思卡尔半导体推出的首款磁力计，最新开发的感应器装置，专门用于辅助GPS定位、惯性导航、加强电子罗盘等精准度的芯片产品。MAG3110是一个紧凑型的三轴加速度感应器芯片，采用了小尺寸、低功耗设计，支持两种接口类型接入目标板：排针或排座，并支持I2C总线级联。

3 实测数据分析和参数修正

3.1 仪器测量误差的来源

本仪器采用时差法测量风速矢量信息，对测量原理进行分析可知，风速信息与温度、L、t1、t2均有关。经过实际验证与查阅资料，采用单向时差法进行测量，测量误差主要来自：

（1）周围环境噪声和超声干扰，主要是反射造成的回波的影响；

（2）换能器安装位置误差，会直接影响到L的测量精度；

（3）阵型设计和换能器外形对风场的影响；

（4）超声信号在空气中的传播衰减，及温度变化，会影响到超声波传播时间的测量；

（5）换能器匹配和电路引入的传播时间测量误差；

（6）信号处理算法对传播时间测量精度的影响。

在本仪器的数据采集过程中发现，由于采用的硬件配置较低，1）、2）、3）为最大的误差来源，在3种误差同时作用下，综合误差最高达到（＋-）0.5m／s。因此，为控制误差，仪器应该在避免充满障碍物和超声信息的大尺度风场环境下工作，并采用刚性材料固定探头。

图10 实验装置

3.2 测试方案及参考分析

为测试仪器性能，对测量数据进行修正从而提高测量精度，采用了相对运动的办法获得稳定风场分别在低速（0～5m／s），中速（5～20m／s）进行测量分析。其中在低速段，在封闭室内，采用导轨上小车载运探头进行不同速度的匀速直线运动；在中速段采用汽车车顶载运以不同速度运行验证，见图10。因为仪器探头为手工制作，所以不能承受较大风力，同时高速恒流风场很难获得，所以没有进行测量。

对测量数据利用MATLAB软件进行处理可得：

图11 0～5 m范围测试结果

由图11可知，当定义初始风速为V0＝-1.014 5m／s时，测量结果与参照风速近似成线性关系，平均误差0.040 9m／s。

由图12可知，当定义初始风速为V0＝-2.491 9m／s时，测量结果与参照风速仍可近似成线性关系，但平均误差较大达到1.745 5m／s。经分析，除了3.1中的因素外，天气原因（阴，18℃，有间断微风）也加大了误差。

4 应用前景及改进方案

4.1 同类仪器性能对比及应用分析

将同类仪器性能对比，见表1。

表1 仪器性能对比

基于时差法的超声波测速测适于能够测定大尺度稀薄流体矢量信息。相对于传统的测量方式，具有如下优点：

（1）采用单向时差，在测量流体强度信息的同时可以测量其方向信息；

（2）测量部位不需要进行机械运动，无磨损，可靠性好；

（3）可以测量大尺度范围的流体矢量信息，测量数据价值性高；（4）能耗低，具有工作／待机两种工作模式；（5）测量范围宽，不需要启动风速测量结果经计算；

（6）处理可输出瞬时风速风向值、平均风速风向值。

且由于其功率小，可采用太阳能供电，可广泛地应用于海航、气象、民航、公路、建筑、能源等行业。以能源行业为例，可以在大型风力发电机桨轴尾部装配超声波测速测向仪，根据测得的风向风速信息驱动风力发电机调整桨面至最佳方向，提高风能利用效率。

4.2 不足和改进方案

虽然超声波测速测向仪相比于传统的测量方式具有很多优点，但是也存在着对测量环境、器型设计、加工要求高等缺点。例如，一般的3D声学风速表在雨天条件下使用时，如果传感器上有水时就会改变其声波传播路径长度而使得测量值变得不可靠。其次，分析超声波的传输特性和大气中的杂质、大气环境对风速风向测量的影响对超声测风仪推广使用和设计也是极其重要的[9－10]。

因此对本仪器的改进应着重在以下几点：使用高性能的探头，提高传感器的工艺水平，减少器件结构和探头带来的误差；加入温度自控制模块和无线反馈模块，提高对抗恶劣环境的能力；优化电路结构和算法，提高仪器稳定性。

5 结 论

综上所述，超声波风速仪是未来风速测量仪器的一个重要发展方向。目前国外市场基本上已经淘汰了机械式风速测量设备，取而代之的是基于超声波的风速仪。超声波风速仪与传统的测风仪相比稳定性、寿命、精度提高很多，不受自然条件限制。而且可进行多点风速风向测量，微控自动测量，增大了测量范围，同时减少了设备能耗，更重要的是能在无人管理下长期工作。因此被认为是理想测量工具。文章中所介绍的基于MSP430超声波测风速仪具有反应速度快、量程广、盲区小、线性度好、精度高和易于安装维护、不需校正等优点，能够满足大学物理实验教学演示及一般精度的风况信息测量。

[1]彭艳，张宏升，许飞，等.风杯风速计测风误差的分析研究与订正方法[J].气象水温海洋仪器，2003（2）：1－11.

[2]Aprilesigc，Deciccog，Taronia.A Microprocessor Based，Threeaxes，Ultrasonic Anemometer[C].Ultrasonics Symposium，1983：295－298.

[3]曹可劲，崔国恒，罗斌凤，等.超声波数字风速风向仪[P].中国：2007200878543，2007.

[4]金晶，唐慧强.基于 ARM 的超声波风速测量系统[J].仪表技术与传感器，2009（6）：101－106.

[5]曹可劲，崔国恒，朱银兵.超声波风速仪理论建模与分析[J].声学与电子工程，2010（1）：37－40.

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

[7]HY－SRF05超声波模块手册[Z]，2012.

[8]ISD1730使用指南手册[Z]，2012.

[9]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[J].成都信息工程学院学报，2007，10.

[10]汪浩，张骁勇.利用地铁隧道风能发电的设计与研究[J].大学物理实验，2012（4）：9－13.