基于 TDC-GP21高精度三维测风系统设计

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基于 TDC-GP21高精度三维测风系统设计
梁琛;郑毅;王晓兰
【摘要】According to the problem of measuring the wind speed and wind direction in a fast and ac-curate way, a 3D ultrasonic measuring system is designed by a high-precision time measuring chip TDC-GP21 and a SCM control chip MSP430F413.Three pairs of ultrasonic transducers are used to constitute the 3D arrays and the time difference method is used for measurement.In this paper, the overall structure of 3D ultrasonic measuring system, the ultrasonic driving circuit and the ultrasonic receiving circuit are designed.At the same time, the software process of wind speed and direction measurement are given.%针对快速准确测量风速和风向的问题,采用 TDC -GP21高精度时间测量芯片和MSP430F413单片机控制芯片,设计了三维超声波测风系统。

利用三对超声波换能器构成三维阵列,采用时差法测量风速和风向。

该文介绍了三维超声波测风系统总体结构,超声波驱动电路和超声波接收电路以及风速和风向测量的软件流程。

【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2015(000)001
【总页数】5页(P35-38,105)
【关键词】风速;超声波;时差法;TDC-GP21
【作者】梁琛;郑毅;王晓兰
【作者单位】甘肃电力科学研究院;兰州理工大学电气工程与信息工程学院,兰州730050;兰州理工大学电气工程与信息工程学院,兰州730050
【正文语种】中文
【中图分类】TP274+.53
风能就是空气流动所产生的动能[1-2],风场风资源的品质时刻影响着风力机的运行,风速和风向是风场的重要因素,测量的准确与否直接影响到对风场特性的研究。

目前,国内外对风速风向的测量方法主要以超声波测量法为主。

文献[3-4]介绍了
运用超声波传感器,以反射法测量液体深度;文献[5-6]介绍了基于TDC-GP21芯片的超声波测量液体流量和测距的方法,并且TDC-GP21芯片主要应用在测量液
体流量等方面;文献[7]提出了一种基于80C51单片机控制系统的二维超声波阵列测风系统;文献[8]介绍了三维超声波阵列的测风原理及其应用领域。

该文采用三维超声波测风阵列布置,以时差法测量风速和风向值。

选用TDC-
GP21高精度时间测量芯片,MSP430F413单片机作为控制芯片,组成超声波测
风系统。

文中详细介绍了时间间隔测量芯片TDC-GP21的功能及其测量风速和风
向的软件工作流程。

并且设计了超声波驱动电路和超声波接收电路。

1.1 三维超声波阵列布置
该文采用三维超声波测风系统测量风速和方向[9]。

系统采用6个换能器,分成3组,每组换能器分别沿着空间直角坐标系相对摆放,在空间上形成一个三维空间坐标系。

如图1所示,换能器位置方向W、E、S、N、U、D分别表示为直角坐标
系的X,Y,Z三个轴。

图中X轴箭头方向表示由西向东,Y轴箭头方向表示由南向北,Z轴箭头方向表示由下向上。

每对换能器距离一般选为200 mm左右。

1.2 时差法测量风速和风向的原理
超声波在空气传播过程中,在顺风与逆风方向传播时存在一个速度差,当传播固定
的距离时,此速度差反映出一个时间差,这个时间差与待测风速呈线性关系。

系统选择中心频率为200 kHz的收发一体超声波换能器进行测量。

如图2所示,以W,E方向为例。

首先W作为发射探头,E作为接收探头,设由换能器W到E的传播方向为顺风方向,进行测量得到顺风方向的传播时间tWE 为[9]:
式中:L为换能器W、E间的固定间距;c为空气中声速;vWE为W、E方向风速分量。

然后探头E作为发射端,探头W作为接收端,设由E到W为逆风方向,得到由W到E方向上的另一个时间tEW为:
由式(1)和式(2)得WE方向的风速分量:
依次类推:
根据式(3)、式(4)、式(5)得实际风速v与风速分量vWE,vSN,vDU的关系为:
根据式(6)得到实际风速v为:
矢量表达式为:
v=vWEi+vSNj+vDUk
式中:i,j,k分别表示X,Y,Z轴正方向的单位向量。

风向的计算:风向以X轴方向为例
根据式(7)、式(9)得到X轴方向上风向角为:
θ=arccos
2.1 系统总体结构
图3为系统总体结构图。

首先通过TDC-GP21进行温度测量,然后由单片机控制TDC-GP21片内脉冲发生器,在其FIRE_UP或FIRE_DOWN引脚产生频率为200 kHz的方波脉冲序列,经驱动电路后,由超声波发射换能器发射超声波。

当接收端换能器接收到超声波信
号后,先通过带通滤波放大电路处理,处理后的信号触发TDC-GP21的STOP1或STOP2引脚,由GP21计算超声波传播时间。

最后单片机读取传播时间,以时差法计算风速和风向。

因为进行三维风速的测量,所以有3对共6个超声波换能器工作,每个换能器既具有发射功能也具有接收功能,每次只有2个换能器同时工作,因此需要多路选择器来控制。

系统采用ADG804四路选择器,单片机控制其管脚进行通道选择。

在数据传输处理上,风速和风向值由单片机通过GPRS模块远程传输到上位机。

上位机通过LCD显示模块显示三维合成后的实际风速以及各坐标轴的风向角θ,风向角θ分别表示成3个轴各自的夹角。

数据也可保存到SD卡上。

电源供电采用蓄电池和太阳能电池板切换供电。

2.2 TDC-GP21高精度时间数字转化器
TDC-GP21是德国ACAM公司生产的高精度时间数字转换器,内部集成了模拟输入、温度测量、脉冲发生、EEPROM等功能,采用脉冲计数法和延迟线插入法来进行精确量化时间间隔[10]。

根据系统的要求,对TDC-GP21选择时间间隔测量方式,测量时间范围为500 ns~4 ms,测量时间最小分辨率为90 ps。

模拟输入部分集成了高通滤波、比较器、模拟选择器等电路,集成度高,电磁干扰小,测量误差小。

超声波在空气中的传播速度和温度相关,温度越高,速度越快,相应表达式为:式中:c为超声波在空气中的传播速度;T为空气中的温度。

由于上述原因,在测量时需要实时测量环境温度,然后通过式(11)计算,获得超声波实际的传播速度,以保证风速测量数据的准确性。

GP21有一个温度测量单元,大大简化了温度补偿电路。

2.3 超声波驱动电路
由于超声波在传播过程中存在衰减,所以为了确保接收端信号的强度,需要提高声源处振幅。

故设计一个超声波驱动电路,要求驱动电压在200~400 V之间,以保证超声波信号能正常驱动。

图4为超声波驱动电路图。

Q7为IRL3410绝缘栅型MOSFET,在此电路中起到开关的作用,T1为升压变压器,原副边匝数比为
1∶10。

电阻R23和电容C22组成储能电路。

TDC-GP21的FIRE_UP或
FIRE_DOWN端口产生的脉冲序列通过SSP1输入,当输入为脉冲的高电平时,
Q7导通,变压器副边不工作,当输入脉冲为低电平时,Q7不工作,变压器副边
导通,原边存储的能量释放到副边。

这就实现了原边低幅值的方波脉冲升高到副边高幅值同频率的方波脉冲,副边的输出引脚TRANS1与换能器相连接,实现对超
声波换能器的驱动,使换能器发出超声波信号。

图5是驱动电路电压放大波形图。

图中脉冲频率为200 kHz,横坐标为时间,单
位是μs,纵坐标为电压幅值,单位是V。

图中输入的驱动脉冲信号为5 V左右从SSP1端输入,输出的信号为240 V左右从TRANS1输出。

此电路设计保证了接
收端的信号强度,符合系统要求。

2.4 超声波接收电路
超声波接收换能器接收到超声波信号时,此超声波信号一般为几毫伏或者十几毫伏,中心频率为200 kHz的正弦振荡信号,并且其中包含很多杂波,而TDC-GP21的识别信号要求在100 mV以上,所以要先经过带通滤波,然后放大处理。

图6为系统的带通滤波放大电路。

其中运放芯片选用TI公司的MC33078双路高速低噪声运算放大器,可单电源供电。

D1、D2起到限幅的作用,将输入信号限制
在±0.7 V,防止引入干扰信号。

图7为带通滤波放大电路电压放大波形图。

横坐
标为时间,单位是μs。

纵坐标为电压幅值,单位是mV。

如图所示,超声波接收
换能器接收到的信号是10 mV左右的正弦信号,此信号通过带通滤波放大电路的输入端STOP。

输出端STOP1为幅值120 mV左右的正弦信号,放大倍数为12
倍左右,能够达到系统接收端电压幅值的要求。

STOP1端再连接TDC-GP21的时间停止管脚端。

2.5 系统控制模块
系统选用MSP430F413单片机[11-12]为中央处理芯片。

它具有16位的精简指令计算机结构、高性能混合信号处理器。

超低功耗,工作电压低,活动模式下供电2.2 V时,电源耗电仅200 μA;待机模式下仅耗电0.7 μA;掉电模式下(RAM数
据保持)耗电也只有0.1 μA。

文中单片机采用3.3 V供电,与TDC-GP21通过SPI 接口进行通信。

系统软件主要是由MSP430F413实现对TDC-GP21的控制。

由GP21进行对超
声波传播时间和空气温度的测量。

故GP21的程序流程很重要。

系统运用C语言
在Embedded Workbench集成开发环境下编译程序。

图8为GP21测量的程序流程图。

首先单片机上电复位,然后需要单片机对TDC-GP21寄存器进行设置,以实现预定的功能。

系统进行初始化,同时对单片机和TDC-GP21初始化。

在测量数据之前,TDC-GP21需要对高速时钟进行一次校准。

从此刻开始,整个测量程序会通过中
断方式来完成。

程序收到中断后,单片机读取测量结果,根据修正公式进行修正,然后再进行系统初始化。

此刻开启TDC-GP21的温度测量模式。

此时TDC-GP21将会执行两次温度测量,温度测量的结束是通过一个中断给出的。

系统再进行初始化。

此刻开启TDC-GP21的时间间隔测量模式,TDC-GP21将会进行两次时间间隔测量。

时间间隔测量的结束也是通过一个中断给出。

系统有3对超声波换能器,所以风速和风向值要进行3对飞行时间的测量,最终在单片机内通过上述部分推
导的计算公式求出风速和风向值。

针对现有风速风向测量装置在测量精度和反应时间方面的不足,该文利用3对超
声波换能器构成三维阵列,采用时差法测量风速和风向。

设计了三维超声波测风系
统的总体结构以及超声波驱动电路和超声波接收电路。

采用TDC-GP21高精度时间测量芯片和MSP430F413超低功耗单片机控制芯片,整个系统能够快速准确地测量风速和风向,且系统工作时保持着较低的功耗。

【相关文献】
[1] 牟聿强,王秀丽,别朝红.风电场风速随机性及容量系数分析[J].电力系统保护与控
制,2009,37(1):65-70.
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[10] 梅海洲.基于TDC-GP21型超声波流量计的开发与研究[D].广州:华南理工大学,2012.
[11] 王肖敏,王鹏翔.基于MSP430F449的超声波低功耗超声波热量表设计[J].电声技
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[12] 赵灿,刘园胜.基于MSP430F152单片机的超声波热量表的设计[J].仪器仪表与分析检
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