基于FPGA和DSP的超声波风向风速测量系统

第30卷 第1期 2011年1月 Applied Acoustics Vol.30, No.1, Jan., 2011

2010-05-10收稿; 2010-10-25定稿

作者简介: 丁向辉 (1984- ), 男, 河南省许昌市人, 博士研究生, 研究方向: 信号与信息处理。

李平 (1961- ), 男, 研究员, 博士生导师。

†

通讯作者: 丁向辉, E-mail:xianghuiding@

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基于FPGA 和DSP 的超声波

风向风速测量系统

丁向辉†

李 平

（中国科学院声学研究所 北京 100190）

摘要 本文研究了数字化超声风速测量系统，提出并实现了完整的系统设计方案。该方案的核心是基于现场可编程门阵列（FPGA ）和数字信号处理器（DSP ）的硬件系统架构和基于包络重心法的信号处理算法。该设计可实现超声信号的高速数据采集和复杂的信号处理算法。测试结果表明所实现的超声风速测量系统具有体积小、反应速度快、抗干扰能力强和分辨率高等优点，且具有成本优势，并保持较低的功耗。

关键词 超声风速仪，FPGA ，DSP ，传播时间

An ultrasonic anemometer based on DSP and FPGA

DING Xianghui LI Ping

(Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190)

Abstract A digital ultrasonic anemometer system is proposed in this paper. A new design scheme is studied and realized. The key elements of this new scheme are DSP and FPGA and gravity center of the envelop estimation method. The designed system supports very high sample rates and more complicated digital signal processing algorithms. Experiments show that the proposed system has a small size, a fast response speed, and a high resolution, and is more robust in noisy environments. Besides, the system has cost effective advantages while maintaining low power consumption.

Key words Ultrasonic anemometer ，FPGA ，DSP ，Time-Of-Flight

1 引言

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，基于超声波的风速风向测量技术具有反应速度快、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[1]。

超声波风速测量技术，利用超声波在顺风路径和逆风路径上传播速度的不同，检测出两个路径的传播时间或时间差来获得风速信息，测量的难点在于准确测量超声信号的到达时间。此外为了测量瞬时的风速风向，

第30卷第1期丁向辉等:基于FPGA和DSP的超声波风向风速测量系统47

需要检测多个传感器的信号，要求系统具有较强的计算和处理能力。早期的超声波风速测量技术，大多采用过零点、峰值检测的方法测量传播时间[1,2]，这些方法在有环境干扰的情况下误差比较大。随着现代数字信号处理技术的发展，数字化超声风速测量采用新的处理方法提高测量精度和抗干扰能力。算法复杂度的提高对系统的实时处理性能也提出了更高的要求。近些年来，国内外出现了一些数字化超声风速测量系统，这些系统基于单片机[2,3]，现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）[4]或ARM（Advanced RISC Machines）处理器[5]等，但它们设计的采样率较低，大多还只是采用高速计数器或数据拟合等简单的信号检测和处理方式对风速进行测量。

本文设计了一种小型数字化超声风速风向测量系统。该系统具有两个主要特点：基于FPGA和DSP联合的硬件架构，系统最高采样速率可达20MHz，这为换能器的选择提供了极大的自由度，有利于实现整个系统的小型化；采用包络重心[6]和ASDF[7]（Average Square Difference Function）结合的方式对TOF（Time-Of-Flight）进行检测，保证了测量超声信号的到达时间的准确性和抗干扰性能。该系统具有处理能力强、便于算法扩展和升级、测量精度高等特点，相比同类产品还具有成本优势，并具有较低的功耗。

2 超声风速风向测量原理

超声风速测量的方法大致可分为时间差法，频率差法，多普勒法，波束偏移法。目前应用比较广泛的是时间差法[1]，其原理如图1所示。检测超声波在顺风路径的传播时间t1和逆风路径的传播时间t2的差值，从而确定风速大小。

图1 超声风速测量原理

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。超声波在顺风和逆风路径的传播时间

（TOF）分别为：

1cos

L

t

c vθ

=

+

, (1)

2cos

L

t

c vθ

=

−

. (2)

由（1）和（2）可得

12

11

cos()

2

L

v

t t

θ=−. (3)

由（3）可知，风速分量与t1和t2的倒数

呈线性关系。只要测量出t1和t2，就能够精确

测量出风速在传感器轴向方向的速度分量。

环境对声速的影响很大，（3）中计算避

免引入声速，从而极大减小环境对风速测量

精度的影响。并且也避免了在系统设计中引

入温度芯片等对测量进行补偿，简化了系统

设计。

为提高风速测量的稳定度，使用包络重

心和ASDF结合的方式对TOF进行检测[6,7]。

先用Hilbert变换求出信号包络，之后选择积

分区间计算重心，得到：

2

2

|()|d

|()|d

g

A

t

A

τττ

ττ

=

∫

∫

. (4)