采用直接時差法的無線超聲波風速風向儀設計

摘要：采用直接時差法，以TMS320F2812為控制單元控制超聲波的發射與接收，實現了超聲波風速風向儀的設計。該超聲波風速風向儀利用模擬開關設計驅動電路，減少了電磁干擾對電路的影響；利用限幅、放大、正弦脈沖轉換的方法設計接收電路，減少了A／D轉換波動對信號捕獲以及時間點判斷的影響。
關鍵詞：超聲波風速風向儀；模擬開關；正弦轉脈沖；TMS320F2812

引言
常見的風杯式、風標式風速風向儀因自身機械結構固有的缺陷，測量低風速時靈敏度不高，并且會隨使用時間的增加出現一定程度的老化，在惡劣的工作環境中測量精度和使用壽命均受到較大影響。
超聲波風速風向儀誕生于20世紀80年代，意大利GC Aprilesi等人完成了其原理樣機并驗證了功能可能性。隨著多年的研究與發展，超聲波風速風向儀的精度和可靠性都在不斷提高。目前針對超聲波風速風向儀的研究，在超聲波換能器的驅動電路和信號接收電路實現上，都采取了脈沖變壓器升壓產生驅動信號和A／D采樣接收信號的方法。脈沖變壓器雖然在設計和實現上較為簡單，但是當原副線圈匝數比較大、脈沖信號頻率較高時，脈沖變壓器工作時的噪音、熱損耗和電磁干擾會相應增大，電磁干擾對超聲波接收電路中信號處理的影響尤為嚴重，從而可能影響到最終測量結果的準確性。另外，在接收信號由A／D芯片轉換成數字量的過程中，由于整體電路的電磁干擾，A／D轉換值往往有較大波動，導致接收時間點判斷上的較大超前或滯后，這種超前或滯后也會對測量結果的精確性造成較大影響。
本文針對脈沖變壓器和A／D采樣電路的不足，設計出包含換能器驅動電路、接收信號及處理電路兩部分的超聲波收發模塊。采用模擬開關電路產生驅動信號的方法，在降低噪音和熱損耗的同時大大降低了電磁干擾對整個電路的影響，驅動信號更為標準并且無需在接收端搭建濾波電路。采用正弦信號轉脈沖電路使得接收時間點的確定更精確，波動更小。

1 工作原理及系統結構
1．1 工作原理
超聲波在空氣中傳播時，在順風與逆風方向均存在速度差。當超聲波傳播距離固定時，該速度差就反映為傳播用時的時間差，且該時間差與待測風速之間具有線性關系。根據測量、計算時差的方法不同，一般分為直接時差法、頻差法和相位差法。直接時差法也叫脈沖聲時法，對超聲波的收發時間直接進行測量，從而通過時間差計算得出當前的風速風向數據。
編者注：超聲波測風速風向原理圖及相應公式略。
1．2 系統結構
如圖1所示，超聲波風速風向儀的系統結構主要由MCU控制單元、信號隔離模塊和換能器收發模塊3個部分構成。MCU控制單元主要完成模擬開關控制信號的輸出、計時以及核心數據處理；信號隔離模塊主要降低各模塊之間的干擾；換能器收發模塊主要完成超聲波信號的產生及接收、處理工作。超聲波風速風向儀的工作流程如下：MCU每隔20 ms發出8個200 kHz脈沖信號，經信號隔離模塊隔離后，輸入換能器收發模塊，驅動換能器發出超聲波信號；換能器收發模塊接收到超聲波信號并轉換為電信號，作為換能器收發模塊回波信號輸入并轉換為方波信號，經信號隔離模塊隔離后，輸入MCU進行處理。

2 收發電路設計
2．1 換能器驅動電路
由于超聲波風速風向儀換能器對驅動信號電壓和頻率的要求，脈沖變壓器在實際應用中將會出現電磁干擾強、噪音大、熱損耗大等缺點，對超聲波風速風向儀控制電路產生影響。為避免脈沖變壓器驅動電路的上述缺點，設計一種采用模擬開關的超聲波風速風向儀換能器驅動電路，如圖2所示。圖中，控制波形為8個脈沖，間隔20 ms；驅動信號為8個脈沖。