隨著氣象、民航及新能源領(lǐng)域等發(fā)展的需要，傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)速儀正逐漸被新型超聲波式風(fēng)速儀所取代。目前，超聲波式風(fēng)速儀多被用于固定點(diǎn)測量[1]，體積大，不便于移動，需通過有線方式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行后期處理，不能實(shí)時(shí)顯示風(fēng)測量信息，其布線復(fù)雜且維護(hù)困難，不利于移動式多點(diǎn)測量。同時(shí)，現(xiàn)有的超聲波風(fēng)速儀電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，功耗較大且成本高。在分析了現(xiàn)有超聲波風(fēng)速儀缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于ARM-Linux和CPLD的高精度、低成本的可視化移動式風(fēng)速儀。

1 超聲波風(fēng)速儀測量原理

超聲波信號在流體中傳播時(shí)會承載流體流動的信息，利用時(shí)差法、多普勒法、頻差法[2-3]等可以獲得流體的流速和流向等信息。由于時(shí)差法原理簡單，電路易實(shí)現(xiàn)，且受外界環(huán)境因素影響小，目前大部分超聲波風(fēng)速儀都采用時(shí)差法對風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行測量。本設(shè)計(jì)中將兩對收發(fā)一體的超聲波換能器正交放置，實(shí)現(xiàn)對水平方向上二維風(fēng)的測量。超聲波時(shí)差法測量結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。每對超聲波換能器之間的距離固定，當(dāng)超聲波在流體中傳播時(shí)，受流體影響超聲波存在順向和逆向，其具有一定的時(shí)間差，通過獲得該順向和逆向的時(shí)間差就可以確定所測流體的速度和流向。

圖1  超聲波時(shí)差法測量結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，設(shè)置兩換能器之間的距離為L，可得超聲波在南北和東西方向上順向和逆向的傳播時(shí)間分別為t南北、t北南、t東西和t西東，依據(jù)時(shí)差法測量原理[4]，可得到風(fēng)速在直角坐標(biāo)系上的風(fēng)速分量如式(1)和式(2)：

依據(jù)矢量計(jì)算定理，由式(1)和式(2)可得到風(fēng)速值。本設(shè)計(jì)中選擇正北方向?yàn)?°方向，按順時(shí)針方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動，根據(jù)式(3)可獲得當(dāng)前風(fēng)的風(fēng)向值：

    根據(jù)超聲波時(shí)差法測風(fēng)原理，只需獲得超聲波在固定距離上順向和逆向所傳播的時(shí)間，就可以測定流體的流速和流向。同時(shí)時(shí)差法測風(fēng)可以消除溫度等環(huán)境因素引起的聲速變化而導(dǎo)致的測量錯誤。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    基于ARM-Linux和CPLD的移動式風(fēng)速儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要包括ARM主控制器單元、CPLD協(xié)處理器單元、超聲波驅(qū)動電路模塊、信號接收調(diào)理模塊、LCD顯示模塊、存儲模塊以及超聲波換能器陣列單元。

    系統(tǒng)采用CPLD芯片EPM-570T100C5作為協(xié)處理器，通過接收ARM處理器發(fā)出的控制命令來執(zhí)行超聲波信號的發(fā)送、接收及渡越時(shí)間的測量。超聲波渡越時(shí)間的測量直接影響到風(fēng)速儀測量結(jié)果的精確性，本設(shè)計(jì)中CPLD外接100 MHz的晶振，使其內(nèi)部計(jì)時(shí)單元的分辨率可達(dá)到10 ns，完全滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度要求。同時(shí)CPLD具有可并發(fā)執(zhí)行的特性[5]，可使CPLD在驅(qū)動超聲波傳感器的同時(shí)啟動內(nèi)部計(jì)數(shù)，與順序執(zhí)行流程相比，其消除了代碼運(yùn)行所帶來的計(jì)時(shí)誤差。此外，并發(fā)執(zhí)行方式可提高信號處理的速度，使其滿足實(shí)時(shí)性要求。主控制器選用ARM11芯片S3C6410來作為系統(tǒng)的顯示、控制及運(yùn)算核心，系統(tǒng)通過ARM處理器發(fā)送控制命令給CPLD，計(jì)算和存儲由CPLD送入的數(shù)據(jù)，并以可視化界面形式將風(fēng)速和風(fēng)向值進(jìn)行顯示。

圖2  風(fēng)速儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

    超聲波換能器收/發(fā)陣列將4個收發(fā)一體的超聲波換能器正交放置[6]實(shí)現(xiàn)對二維平面上風(fēng)速/風(fēng)向的測量。根據(jù)換能器陣列結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選用的超聲波換能器應(yīng)具有高的靈敏度和分辨率，本設(shè)計(jì)中采用型號為FUS-200A的高頻壓電式超聲波傳感器，其工作中心頻率為200 kHz，對于同頻率的超聲波換能器的驅(qū)動電壓一般為200~400 V，而該換能器所需驅(qū)動電壓為60 V，并且其具有較低驅(qū)動功率。陣列中各超聲波換能器之間保持25 cm距離。超聲波換能器按次序發(fā)射一定頻率的超聲波信號并測量其順向和逆向傳播的時(shí)間，通過計(jì)算可以得到所測風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向值。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 超聲波驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

    為了獲得超聲波換能器工作時(shí)所需的電壓，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)中采用原/副邊匝數(shù)比為42:420、型號為750 A的超聲波專用升壓中周變壓器P2構(gòu)成升壓電路，使由QU1端輸入的方波控制脈沖信號能將變壓器原邊的低壓方波脈沖升至60 V左右，從而驅(qū)動超聲波換能器發(fā)出超聲波信號。圖3為超聲波驅(qū)動單元電路原理圖。

圖3  超聲波驅(qū)動單元電路原理圖

為了保證變壓器P2在處于原邊的由8050三極管構(gòu)成的開關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，其副邊能同時(shí)驅(qū)動超聲波換能器，同時(shí)為了使開關(guān)電路斷開后能快速釋放變壓器中多余磁能，防止處于“空載”狀態(tài)的變壓器P2存儲的磁能使電感飽和而燒毀開關(guān)器件，采用電阻和高速開關(guān)二極管1N4148構(gòu)成磁通復(fù)位電路來釋放磁能。在實(shí)際調(diào)試中，QU1端至少要產(chǎn)生16個頻率為200 kHz的脈沖方波信號才能使升壓中周變壓器驅(qū)動后續(xù)的超聲波換能器。圖4為QU1端輸入16個方波脈沖信號時(shí)，變壓器副邊輸出的波形圖像,該信號可穩(wěn)定驅(qū)動超聲波換能器發(fā)出超聲波信號。

圖4  變壓器副邊輸出波形圖

2.1.2 超聲波信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)中采用包絡(luò)檢波法來實(shí)現(xiàn)對超聲波回波渡越時(shí)間的測量。由超聲波換能器發(fā)出的信號在傳播中因環(huán)境等影響，其信號幅值會發(fā)生變化，但對于接收端，其首波點(diǎn)與回波包絡(luò)峰值之間的周期數(shù)是確定的，通過檢測回波信號包絡(luò)峰值點(diǎn)到達(dá)的時(shí)間，就可以確定超聲波傳播的渡越時(shí)間。超聲波信號調(diào)理電路如圖5所示。

圖5  超聲波信號調(diào)理電路

    在氣體流速測量中，當(dāng)兩換能器之間的距離在10 cm～50 cm時(shí)，變壓器副邊的60 V脈沖信號驅(qū)動換能器發(fā)射超聲波信號，其相應(yīng)接收端接收到的回波信號電壓等級一般在毫伏級，為了滿足后續(xù)調(diào)理電路的輸入要求，需要在提高接收端信號的信噪比的同時(shí)對回波信號進(jìn)行放大。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用TI公司低噪聲高速運(yùn)放TLE2072構(gòu)成兩級放大電路，該前置放大電路將接收到的回波信號放大2 000倍左右，放大后由運(yùn)放輸出的電壓在± 10V以內(nèi)，滿足后續(xù)電路的要求。放大輸出的信號經(jīng)由雙二極管和電容構(gòu)成的包絡(luò)檢波電路進(jìn)行處理，獲得平滑的包絡(luò)信號，使環(huán)境因素對接收回波信號的影響降到最低，提高渡越時(shí)間測量的精度。經(jīng)包絡(luò)檢波電路輸出的信號送入由軌到軌高速比較器TLV3502構(gòu)成的電壓型比較電路中，其基準(zhǔn)電壓設(shè)置為2.2 V，可有效防止電路中噪聲影響而引起的誤中斷觸發(fā)，包絡(luò)信號經(jīng)TLV3502獲得數(shù)字中斷觸發(fā)信號，使CPLD暫停計(jì)數(shù)，獲得超聲波渡越時(shí)間。圖6為實(shí)際調(diào)試過程中觸發(fā)捕獲到的中斷信號波形圖像。

圖6  TLV3502輸出中斷觸發(fā)信號

2.1.3 Linux移植與界面顯示

    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)板中采用Linux-2.6.38內(nèi)核進(jìn)行底層數(shù)據(jù)端口驅(qū)動程序和電阻觸摸式LCD顯示屏界面的開發(fā)，宿主機(jī)中選擇Ubuntu-9.10運(yùn)行環(huán)境，并采用ARM-Linux-gcc-4.5.1交叉編譯器進(jìn)行目標(biāo)板代碼編譯[7]。由于S3C6410的BSP支持多種不同類型和不同顯示分辨率的顯示屏，LCD顯示屏無需編寫驅(qū)動模塊即可顯示。而對于底層數(shù)據(jù)端口驅(qū)動程序的操作則采用動態(tài)添加的方式，無需多次編譯內(nèi)核。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    基于ARM-Linux和CPLD的移動式風(fēng)速儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括S3C6410、EPM570T100C5以及LCD液晶界面部分設(shè)計(jì)。S3C6410的軟件設(shè)計(jì)主要包括端口初始化程序、LCD數(shù)據(jù)讀取及顯示程序、風(fēng)測量控制程序、ARM與CPLD數(shù)據(jù)傳輸程序、SD存儲程序、RS485通信程序六部分。EPM570T100C5的軟件設(shè)計(jì)主要包括：端口初始化程序、計(jì)時(shí)程序、超聲波發(fā)送和接收程序、CPLD與ARM數(shù)據(jù)傳輸程序。S3C6410采用RVDS集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行C語言編程，EPM570T100C5在Quartus II 8.1環(huán)境下采用Verilog語言進(jìn)行開發(fā)。圖7為進(jìn)行一次測量時(shí)的程序流程圖。

圖7  風(fēng)測量程序流程圖

圖8  風(fēng)杯式與超聲波式風(fēng)速儀測量數(shù)據(jù)對比圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    測試采用將傳統(tǒng)機(jī)械風(fēng)杯式風(fēng)速儀與本設(shè)計(jì)超聲波式風(fēng)速儀放置在同一風(fēng)洞中進(jìn)行驗(yàn)證測試對比，超聲波式風(fēng)速儀通過LCD界面設(shè)置其平均采樣間隔為20 min，連續(xù)對其測試12 h，來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性和工作穩(wěn)定性。風(fēng)杯式風(fēng)速儀與超聲波式風(fēng)速儀測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及對比如圖8所示，由于對于風(fēng)向的準(zhǔn)確測量要求所測風(fēng)速足夠大，本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置風(fēng)向移動閾值，當(dāng)風(fēng)向高于該閾值時(shí)才輸出相應(yīng)風(fēng)向值，若未超過該閾值，則系統(tǒng)輸出預(yù)先設(shè)置的數(shù)值。為了便于對風(fēng)速儀進(jìn)行分析，這里僅統(tǒng)計(jì)固定時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)速值來進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性分析。

    由于對風(fēng)速的測量屬于一種不確定性測量，可利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中標(biāo)準(zhǔn)差方法對測量數(shù)值集合進(jìn)行測量精確性分析，分析測量數(shù)值是否符合預(yù)測值或?qū)Ρ戎狄约芭袛嗨O(shè)計(jì)的風(fēng)速儀是否符合設(shè)計(jì)要求。利用標(biāo)準(zhǔn)差及標(biāo)量平均值原理[8-9]，得到超聲波式風(fēng)速儀的平均值為2.56，標(biāo)準(zhǔn)差為1.132 11；風(fēng)杯式風(fēng)速儀的平均值為2.896，標(biāo)準(zhǔn)差為0.844 83。通過分析知，超聲波式風(fēng)速儀測量結(jié)果接近風(fēng)杯式風(fēng)速儀測量數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)與預(yù)測值相差較小，可以判斷本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

    同時(shí)從圖8中風(fēng)杯式與超聲波式風(fēng)速儀測量數(shù)據(jù)直觀對比結(jié)果來看，本系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)對風(fēng)的測量，且在長時(shí)間工作狀態(tài)下，性能穩(wěn)定可靠，在可靠性和測量精度上均能達(dá)到較高的水平。

    本文基于超聲波時(shí)差法設(shè)計(jì)了一種基于ARM-Linux和CPLD的移動式風(fēng)速儀。重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)工作的基本原理，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主要部分硬件電路的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程和方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮了成本、低功耗及便攜式問題。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，整個系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，測量精度可以滿足實(shí)際工程需求，解決了現(xiàn)有風(fēng)速儀不便移動及數(shù)據(jù)顯示不直觀的問題，且實(shí)現(xiàn)成本較低，具有一定的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

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(收稿日期：2014-05-05)  

作者簡介：

毛曉輝，女，1989年生，碩士，主要研究方向：圖像檢索、模式識別等。

汪慧蘭，女，1978年生，碩士，副教授，主要研究方向：圖像檢索、模式識別等。

陸健，男，1989年生，碩士，主要研究方向：超聲波檢測、自動控制技術(shù)、嵌入式儀器儀表等。