测试系统设计

测试系统设计
超声波二维风速风向测量系统设计
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超声波二维风速风向测量系统设计
超声波二维风速风向测量系统工作原理为：由控制芯片发送超声波驱动控
制信号，经驱动电路整理后作为超声波传感器的驱动信号，利用超声波传感器组将当前风矢量信息转换为电信号送进信号接收电路，再经信号处理电路的滤波放大、整形、相位差测量，获得与风矢量信息具有特定关系的相位差信号后将其送入控制系统进行运算、处理、补偿后获得风速风向信息，送至数码显示同时进行信号输出。

超声波二维风速风向测量系统原理框图如图2-2 所示。

指向性送波器的声响输出比称为指向性增益。

频率越高、振动面积越大，指向性越尖锐，可高效地发射声波。

指向性很大程度上还受到传感器喇叭的形状、振子的振动模式等的影响，所以应根据要检测的动作区域，来决定传感器部分的形状、使用频率、振子的种类等。

从振子中心，即声响能级(声强)从最设计概述风矢量(包含风速、风向信息)是很多环境中重要监测指标之一，所以对风矢量的测量在工业、气象等很多领域都具有重要意义。

风矢量测量应具有实时、精确、简单可靠等特点。

为满足风电机组对35m/s及全角度风速风向精确测量的要求及对风量传感装置体积的要求，同时也为了将本设计进一步拓展到小型气象站等应用场合，本设计讨论一种以超声波传感器为元件，将被测环境中的风矢量信息转化成电信号，送入以单片机为核心的处理单元，进行实时分析计算和LCD显示输出当前风速风向值。

主要的设计指标有：工作温度：-40~60℃相对湿度：0~98 %大气压力：80~106 kPa 测量范围：0~40 m/s；0~ 359 °(度)分辨率：0.1 m/s 精度：±1%超声波风速测量技术的迅速发展使其优于传统机械式测量法的特点更加显著：可测量微风速、理论测量无上限、对待测风场没有影响、不受气流成分的变化影响、无转动部件、无机械惯性、机器损耗小、无需启动风速、维修保养方便。

本设计依据超声波测风原理—利用超声波信号在空气中传播时所承载的气体流动信息来实现测量。

外界激励电压作用下，压电陶瓷随电压和频率的变化产生机械形变受迫振动时，压电陶瓷可产生电荷。

利用这一原理，双压电晶片元件在外
加电信号作用下会因弯曲振动发射出超声波。

相反，当向双压电晶片元件施加超声振动，就会产生一个电信号。

基于以上作用，便可将压电陶瓷用之超声波传感器。

超声波传感器主要特性包括：
1. 声压特性声压级(SPL)是表示音量的单位，可用公式表示为：SPL =
20logP/Pre(2-1)其中：P—有效声压(μbar)；Pre—参考声压(4210 ×μbar)。

2. 灵敏度特性灵敏度K是表示声音接收级的单位，可用下式表示为：
K = 20log E /P(2-2)
其中：E—产生的电压(V rm s)；P—输入声压(μbar)。

3. 指向特性将所需的声响能量施加到目标物上所必须的无指向性送波器的声响输出比称为指向性增益。

频率越高、振动面积越大，指向性越尖锐，可高效地发射声波。

指向性很大程度上还受到传感器喇叭的形状、振子的振动模式等的影响，所以应根据要检测的动作区域，来决定传感器部分的形状、使用频率、振子的种类等。

1 系统结构设计
超声波二维风速风向系统结构框图如图4-1所示。

信号处理电路主要包括信号拾取电路、预处理电路(信号放大、滤波)、时间差测量电路。

本文采用相位差法进行时间差测量，采用高速数字芯片及元件搭建测量电路采集与风矢量信息具有一定关系的相位差，并将其转为相应直流模拟信号送入控制芯片，进行计算处理后获得风矢量信息。

红外遥控相关电路主要用于系统的出厂标定、校准等工作。

温度检测部分采用外置温度传感电路，实时测量环境温度以合完成系统的温度补藏工作
2、系统电源模块
本设计的电源模块负责将仪器外部输电线上的工业标准供电电压(9V~24V)转换为仪器内部工作电压，包括仪器内部各模块工作电压、单片机供电电压、基准电压发生电路供电电压、传感器驱动电压等。

系统电源模块首先通过MC34063芯片获得仪器内部供电电压，再通过AMS1117芯片获得单片机工作电压、TL431基准电路获得基准电源。

MC34063是一种集成DC/DC变换器控制电路，片内包含温度补偿带隙基准源、占空比周期控制器、驱动器和大电流输出开关，能够输出1.5A电流。

的输入电压范围宽且输出电压可调，可利用少量的外部元件构成开关式升压电路、降压式变换器和电源反向器。

本设计利用MC34063构成降压器，电路如图4-3所示。

图中L5为储能电感，同时降低输出电压毛刺；L6用于降低34063对输入电源电压的干扰，毛刺；C41为定时电容；D209采用的是IN5917有效的提高了转换的效率；输出电压值由R42和R43共同决定.
3 传感器驱动电路
40A16TR-1型超声波传感器工作中心频率为40KHz，可采用正弦波或方波驱动，根据超声波换能器资料及大量对比实验结果得知，驱动信号的Vp-p值越大，超声波接收器所能接受到的有用信号幅度越大，越利于后续信号的处理，而本型号传感器采用同等Vp-p值的正弦波驱动效果比方波驱动效果好。

依据实验结果，本设计采用8V正弦波驱动信号。

使用单片机的Timer_A定时计数器完成PWM脉冲调制信号输出，送出40KHz 方波到PIN。

Timer_A使用定时功能，选择增计数模式，Timer_A模块选择输出模式7—PWM复位/置位，实验显示，8M主频晶振前提下，TACCR0寄存值值设定为99时，信号频率能够稳定在39.99KHz，满足传感器使用要求。

单片机送出的方波经过TLE2142运放构成的带通滤波放大电路后，得到中心值在3.0V、峰峰值为5V左右的正弦波信号FF，作为最终用的驱动信号送给超声波传感器。

其中作为偏置电压的3.0V电压点，由TL431构建3.0V基准电压电路来获得。

-带宽这两个参数。

GBW是一个常量，表示增益和带宽的乘积，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。

是用来简单衡量集成运放性能的一个参数。

考量运放的GBW参数，应综合考虑其datasheet上提供此参数的测试条件，若制造厂商用增益为+1V/V，输出电压为Small Signal条件下的带宽来定
义一款运放的GBW值为2.5G，要比宣称的GBW为3.9G但测试条件是G(增益)=+20V/V的运放具有更宽的带宽，因为计算后，前者带宽为2.5G，而后者的
带宽为3.9G/20=195M，公式为：GBW =G ×B(4-2)
其中：G—运放增益；B—带宽。

SR指单位时间(μs)器件输出电压值的可变范围，表示集成运放对信号变化速率的适应能力，是衡量运放在大幅值信号作用时工作速度的参数，单位为V/μs。

器件的输出电压按线性规律变化的条件是，输入信号变化率的绝对值小于SR。

信号幅值越大，频率越高，要求运放SR越高。

SR是运放的阶跃响应速率，与运放的频响特性有关，一般认为是带宽满功率频响(斜率最大值)
4 信号处理电路
信号处理电路主要由传感器收发状态切换电路、整形电路及相位差测量电
路组成，收发控制电路完成三个RT传感器工作状态切换，在某个探头处于发射状态下，对另两个探头接收到的较弱正弦声波信号分别进行滤波、放大处理经整形电路转换为方波，之后将这两路方波送入相位差测量模块，获得与当前风速风向值直接相关的相位差信后，送入单片机进行运算。

4.1 传感器收发状态控制电路
本设计采用三个收发一体的超声波传感器作为敏感元件，依据测量原理，
需要三个传感器轮流收发，于是硬件电路设计过程中需要考虑如何完成三探头切换工作状态的工作。

本设计采用电子开关配合MSP430F2274单片机的控制完成这项工作，硬件电路板分为一个主板和三个发射及放大子板。

子电路板负责传感器收发状态切换及发射放大工作。

传感器收发状态控制关键电路如图4-7所示。

超声波驱动信号由单片机送
出40KHz的PWM方波整形后接入中的图4-7-b中的FF，此信号为三个RT传感器的共有驱动，通过一片电子开关4052将FF切至三个不同的RT传感器；4052控制端为Px，控制端的配置情况如图4-7-a所示，由单片机控制引脚P4.3、P4.4、P4.5(概括表示为P4.x)经CMOS开关2803进行电平转换而产生，分别对应P3、P4、P5(概括表示为Px)，这三个控制端信号分别控制三个RT传感器的信号配置工作。

超声波二维风速风向测量系统的三个RT传感器收发切换电路工作过程包括以下几个步骤：
1. 将三个子板分别命名为子板A、子板B、子板C，控制端分别对应P3、P4、P5。

2. 驱动信号接入FF，设Px中控制端P3置位，使当前A子板上的4052开关选通“X1”和“Y1”，接通FF及其对应的FFa，A板上的超声波传感器作为发射
探头(T)，子板B、子板C的控制信号P4、P5复位，选通“X0”和“Y0”，对应的FFb和FFc与FF断开，子板B和C超声波传感器接收声波信号并对其进行滤波放大处理。

4.2 信号整形电路
相位差测量电路要求其输入信号为方波，因此本设计使用LM311对放大后的40KHz正弦波信号做整形处理获得幅度值为6V的同频同相位方波信号。

为减小正弦波信号在2.5V参考点附近的振荡对整形方波波形质量的影响，LM311采用滞回比较连接方式。

信号整形电路如图4-8所示。

滞回比较器两个阈值分别设置为=2.4975VLV ， 2.5035VHV =。

4.3 相位差测量模块
本设计采用高速鉴频鉴相器AD9901作为相位差测量模块的核心。

美国ADI公
司生产的AD9901为数字鉴相器，如图4-9所示。

5 显示模块及信号传输电路
为适应小型气象站等需要实时显示风速风向值的工作环境，本设计选用12864液晶显示方。

选用晶联讯电子公司的LCD，型号为JLX12864G-086-PC，JLX12864G-086-PC型液晶显示模块既可以当成普通的图像型液晶显示模块使用(即显示普通图像型的单色图片功能)，又含有字库IC，可以从字库IC中读出内置的字库的点阵数据写入到LCD驱动IC中，以达到显示汉字的目的。

JLX12864G-086-PC液晶电路连接如图4-11所示。

工业现场要求输出信号制式可以为电流型、频率型和数字信号型，本设计的信号传输电路采用频率型，200Hz~1000Hz频率输出信号与0~40m/s风速值成线性对应关系。

另外本设计预留RS-485通信模块，便于仪器安装在风电机组后与控制台之间的通信。

写入程序实现风速风向计算结果到输出200Hz~1000Hz频率信号的转换，设置两路频率输出，分别表示风速值VF和风向值DIR。

频率数值上，0m/s及0°对应200Hz，40m/s及359 °对应1KHz。

由单片机P4.3、P4.4端口送出频率信号，通过74HC4052电子开关将频率信号的高低电平分别稳定到2.5V 和GND上，两路信号接入由MCP6042构成的跟随器后，送入信号传输电缆。

频率输出
电路如图4-12所示。

RS-485通信采用平衡驱动与差分接收组合，抗环境噪声干扰性好；数据最高传输速率为10Mbps；最大传输距离4000英尺，实际可达到3000米；具有多站能力，总线上的RS-485收发器连接上限达128个；采用屏蔽双绞线传输。

本设计选用SN65176B半双工芯片。

信号传输电缆上的分布电容、电感，及高速数据通信的影响，导致信号容易反射或产生回波引起通信出错，因此在RS-485电缆的两个终端节点上，即最近端和最远端，需要分别接入终端匹配电阻，其阻值取决于电缆的阻抗特性，与电缆长度无关，对于屏蔽双绞线，终端电阻一般介于100至400 之间，本设计采用120 典型配置。

-
2 系统主程序设计
MSP430单片机在IAR IDE的EW430版本软件控制下可通过利用集成在芯片内的JTAG、SBW引脚及内置引导程序实现固件程序的下载及在线调试。

软件程序的完整设计是电子类科技产品工作的生命动力。

本设计采用C语言及结构化设计方法，应用IAR IDE对本系统进行编程。

超声波二维风速风向测量系统软件主
程序框图如图5-1所示。

单片机上电后首先在默认时钟DCO驱动下完成系统工作时钟设置，再按设计思想对各端口及各功能模块功能进行初始化设置，而后进入无限循环代码段：进行看门狗“喂狗”动作，判断是否有接收到红外遥控信号，若有信号进入，则进行解码、调用服务程序完成按键识别、执行相应标定动作，同时记录标定信息存于Flash存储器并备份等；若无红外信号进入或红外解码及标定工作完成，执行信号采集及数据处理动作，对A/D转换后的数值进行数字滤波及温度补偿修正处理，完成风速和风向数值计算；将已获得的风速风向信息转换为LCD液晶显示、RS-485输出所需的不同数据格式并送入对应输出口，同时利用PWM控制模块改变定时器相应寄存器值完成200Hz~1KHz频率输出；检测标定数据及其备份数据准确性，并对错误数据进行处理。

2.1 标定程序设计
标定用于确定仪器或测量系统的输入--输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；确定仪器或测量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或系统的正确度。

在科学测量仪器设计中，标定是一个不容忽视的重要步骤。

仪器使用前，需要对其进行标定，本设计可使用红外遥控器完成这一工作。

当MCU接收到遥控信息后，判断指令代码是否为“标定”，若是，则开始执行标定操作。

标定程序流程图见图5-2。

理想状态下，无风时模拟电路输出0V。

由于传感器三角形安装结构尺寸及探
头60°朝向的潜在不一致性所引起的0风状态下模拟器件输出电压量不为0，这个电压量若不处理将直接影响风速风向测量结果的准确性。

仪器的零点标定工作主要采集无风状态(即F=0时刻)模拟电路输出量和无风状态下的环境温度，并分别通过MCU内部的ADC10转换为数字量，再根据超声声速-温度函
数，补偿得到该温度下的零点值。

传感器安装结构固定后，超声波传感器特性决定了该零点值不随时间的推移而变化。

灵敏度标定对10m/s& 0°风矢量进行标定。

记录标定值指的是把标定时所得数字量存储至Flash存储器。

系统正常工作时，将依据上述两个状态的标定值所拟合得到的算法获得任意风矢量状况下的风速风向信息。

3 程序模块设计
主要的程序模块有红外线遥控器的解码模块、PWM方式的D/A输出模块、
数据信息存储模块及LCD显示模块。

3.1 红外解码模块
红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。

红外发
射装置由键盘电路、红外编码芯片、调制电路、驱动电路和红外发射电路组
成。

红外接收设备由红外接收电路、红外解码芯片和应用电路组成。

通常为了使信号能更好的被传输发送端将基带二进制信号调制为脉冲串信号，通过红外发射管发射。

常见调制方法有脉宽调制(PWM)和脉时调制(PPM)。

图5-4为遥控控制图。

红外协议种类繁多，早期有ITT协议，当前成熟的协议有NEC、NokiaNRC17、RECS80、Denon、Sharp、Sony SIRC、Philips RC-5、RC6、RCMM、B&O协议等等。

本设选用的红外遥控器编码芯片为SD6121，其编码协议为NEC码。

NEC协议采用PPM 调试方式，载波频率38KHz，具有8位地址码、8位命令码，完成发射两次地址码和命令码以提高可靠性，其位时间为1.12ms(逻辑“0”)或2.25ms(逻辑“1”)，如图5-5所示。

4 软件抗干扰设计
工业现场复杂的电磁场环境对单片机应用系统程序的稳定工作有着潜在的威胁，大量的电磁干扰源不时会侵入单片机系统，破坏软件工作时序、更改地址单元内容，导致程序跑飞或陷入死循环。

因此程序设计多采用抗干扰设计以保证微控制器工作的可靠性和安全性，提高系统稳定工作的能力。

本设计使用的抗干扰设计包括指令冗余设计、设置软件陷阱、监视定时器。

指令冗余，在不影响系统实时处理的前提下，在程序关键地方人为插入一些空操作指令NOP或重写有效单字节指令。

通常，在双字节指令和三字节指令或模块返回指令后插入2Byte 以上的NOP，这种办法是程序脱离“跑飞”状态，恢复正常轨道的一种有效措施。

但这种方式要求程序只在合法程序区“跑飞”。

程序监视定时器设计即软件看门狗设计，是利用WDT(程序监视定时器)不断监视程序循环运行的时间状态，若运行时间超过监视定时器的最大循环运行时间则视程序陷入死循环或跑飞，通过监视定时器溢出或强迫程序执行某出错处理语句以使系统复位。

在干扰不是特别严重、程序发生跑飞，控制字完好无损的情况下，MSP430的WDT定时器溢出可将跑飞的程序截回，转而执行查错程序数据备份修复等相关程序从而恢复主程序进程。

若数据完好修复，则可继续程序跑飞前的事件处理.
.1 硬件电路调试及结果
以下测试均在传感器测试研究室实验环境下进行测试，利用家用台式电风
扇为风速风向测量装置施加一定风速，室温约22°，测试工具主要有Fluke示波
器、风扇、遥控器、直流稳压电源等。

具体的测试模块及测试波形包括以下方面：
1. 超声波驱动电路测试超声波传感器驱动信号为40KHz正弦信号，首先
通过MSP430F2274单片机的Timer_A模块输出40KHz方波，再由滤波放大电路转换为正弦驱动信号。

PWM方波信号及正弦驱动信号如图6-1所示。

2. 传感器接收信号测试传感器接收信号波形示意如图6-2所示。

此信号采集于某时刻的两个接收探头信号输出引脚。

由图可知信号杂波较多，需进行滤波放大等处理。

叠加在接收信号上的干扰主要来自于传感器探头晶圆震动、空间电磁场
高频干扰及50Hz工频干扰。

3. 处理后的超声波信号测试接收信号经过带通滤波和放大后的波形如图
6-3-b所示。

对于图6-2，同一时刻的两路接收信号存在相位偏移，相位测量电路要求送检信号为方波信号，因此要对此正弦波信号进行波形转换。

设计选用LM311芯片构建滞回比较器电路，完成送入相位测量电路之前的波形转换工作。

正弦波经比较器后所获信号如图6-3-b所示。

4. 相位差信号测试设计采用三个收发一体的超声波传感器，某时刻必定有一个传感器作为发射探头，另外两个作为接收探头，三个传感器轮流收发。

根据测量原理，为了合成某一风矢量，需要采集风矢量在三角形三边上的分量，图6-4所示波形为某风矢量测量时刻采集到的三个分量所对应的相位差信号。

设计采用AD9901电路将两路超声波信号的时差转换为相位差信号。

2 风速风向合成算法调试及数据
采用C语言编程实现风速计风向合成算法。

人为给出五组风速分量值，通
过投影合成法可直接计算出真实的风速值和风向角。

再将每组分量值用软件仿真的方法分别获得仿真值，即可与真实值进行比对以判断算法准确性。

使用本设计提出的算法所获风速风向值与理论计算结果一致性很好。

风速及风向角试验数据对照表见表6-1及表6-2。

2 误差分析
对式(3-3)求全微分推得：
由此可知，基于相位检测法的超声波二维风速风向测量系测量精度的提高
应主要关注温度差、传感器定位、时间差。

结论
本设计在研究了大量风矢量(风速风向)测量技术相关资料的基础上，对比
分析了各种现有风矢量测量方法的优缺点，最终选用了一种以超声波为测量载体、以相位差测量方法为方案的风速测量方式。

设计了一套超声波二位风速风向测量系统，系统以MSP430单片机为控制单元，为超声波传感器提供驱动信号并对接收到的超声波信号进行分析、计算与补偿、从而获得风速风向信息，可以通过LCD屏显示，可向测量装置外输送结果串行通信数据或频率信号。

本文主要完成了以下内容：
1．超声波传感器配置结构设计为了准确获得时间差信号、便于建立风速
计算模型，通过查阅大量资料、做多次对比试验，传感器配置形式定为等边三角形结构。

此种结构可利用某方向风作用下风分量在两路接收声程上方向相反的关系抵消环境温、湿度等对风速的影响，以保证时间差信号的准确获得。

2．传感器微信号处理电路设计采用高速逻辑电路设计精确检相模块，
实现高速、高稳定、低时滞相位检测，并通过相位电压检测模块将相位信
号转换为模拟电压信号后，送入单片机进行数字处理，从而获得风矢量信
息。

对传感器所获得的交流小信号，进行了有效的滤波处理。

选用OP37
低噪声高精度运放搭建滤波放大电路，其优良的性能能够保证获得的Vp-p
在mV级的40KHz小信号能够被有效放大，便于后续电路处理。

3．风速风向、相位数学建模在传感器配置方案确定的基础上，根据传感
器配置形式、风向、超声波传输方向构建时间差公式，依据声波与温度的
关系公式，充分考虑传感器定位误差以及温度对风速测量零点及灵敏度的
影响，构建温度补偿模型和风速计算数学模型。

4．硬件电路设计测量系统硬件以TI的MSP430F2274单片机为核心，设计
了系统供电电路、红外遥控接收电路、超声波传感器驱动电路、信号拾取与处理电路、相位测量电路、LCD显示及频率输出、串口输出等相关电路。

5．软件设计测量系统软件用C语言在IAR IDE平台下对程序进行开发，采
用模块化程序设计方法对数据采集、处理、运算、补偿、红外解码、标定等过程进行软件模块编写，提高了软件稳定性及抗干扰能力。

由于环境、探头特性及装置等各种因素的影响，测量方案及测量结果仍然
有细节可以进行深入的改进与创新设计，随着仪器不断的测试与应用，本设计将逐步完善各硬软件模块的设计，使测量系统具有更好的性能。