摘   要: 針對傳統測風儀器無法直接用于移動條件下（如車載或船載時）的風速風向測量的問題,設計了一種可以在移動平臺上應用的超聲波風速風向測量系統。該系統使用超聲波時差法測量平面內二維風向風速，同時使用霍爾傳感器和電子羅盤測量基座的移動速度和方向，通過微處理器對測得的風速風向進行修正，得到實際風速和風向。系統采用ARM作為核心控制器，提高了時差的測量精度，并降低了功耗。
關鍵詞： 超聲波； 風速測量； 移動平臺

    風是相對于大地表面的空氣運動,風速大小和方向嚴重影響人類的生活。高分辨率、高精度的風速風向測量在氣象研究、天氣預報、大氣環境監測等方面占有非常重要的地位[1]。常用的風速風向的測量方法主要有風向標、風杯、風輪、超聲波等。超聲波測風儀因為具有安裝簡單、維護方便、測量精度高等特點，在工業生產和科學實驗中都有廣泛應用[2]。超聲波測風儀的設計已有很多種,如參考文獻[3]設計了一種以DSP為核心，使用超聲波換能器和紅外線檢波接收器的超聲波測風設備；參考文獻[2]設計了一種基于高速單片機和收發一體式超聲波換能器的測風設備，并使用了鉑電阻和濕敏電容進行溫度補償;參考文獻[4]介紹了移動平臺上測風的基本原理并進行了初步的系統設計。
    測風設備在特殊要求下，需要在相對于大地運動的基座上進行測量時(如在行駛的汽車上、航行的船舶上)，傳統儀器因為無法修正基座運動給測量帶來的偏差從而無法得到準確的數據。本文設計了一種基于ARM芯片的風速測量系統，該儀器使用超聲波時差法測量平面二維風速，同時使用霍爾傳感器和電子羅盤測量基座的運動方向和速度，并對測得的風速風向進行修正從而獲得真實的風速風向數據，適用于基座移動過程中的測量。實驗結果表明,該系統具有適用范圍廣、精度高、穩定性強的特點。
1 移動式超聲波風速風向測量原理
　    當超聲波在有風的空氣中傳播且傳播的距離為一預定值時，其順流和逆流傳播將有一個以時間差形式表現出來的速度差，而這個時間差與待測的風速之間是具有一定線性關系的[5]。在空間水平面上放置兩個收發一體的超聲波換能設備A和B，兩個設備之間的距離為d，假設超聲波在靜止的空氣中傳播速度為c，風的方向為A到B的方向，速度為vAB，從A發射超聲波到B接收到經過的時間為t1，從B發射到A接收到經過的時間為t2，可以得到：
 
    超聲波在空氣中的傳播速度是受溫度影響的，從式(1)中可以看出，風速的測量中并不包含超聲波速度的項，因此避免了溫度對系統測量精度的影響[4]。
    若在這兩個超聲波換能設備連線的垂直線上，再放置兩個相同的超聲波換能設備,就可以測得風速在平面直角坐標系下在兩個坐標軸上的映射分量。當測量基座相對大地運動時，超聲波測風設備測出的風速風向值結合測量基座運動的方向與速度值進行系統修正，就可得出實際條件下自然風的風速風向值。
2 移動式超聲波風速儀總體設計
　如圖1所示，系統外圍部件主要由超聲波風速測量模塊、基座測速模塊、方向測量模塊、數據通信接口模塊和人機接口模塊構成。

　超聲波風速測量模塊采用收發一體式超聲波換能器，不僅簡化了電路設計的復雜度，同時也為后期的安裝使用提供了便利；基座測速模塊采用霍爾速度傳感器與單片機相結合，采用RS232串口通信方式將速度基座運動速度傳送到微控制器；方向測量模塊采用先進的集成式磁傳感器LSM303DLH，通過通信方式將方向信息傳送到微控制器；數據通信接口提供了RS232和RS485兩種接口，分別適應近距離和遠距離與上位機的通信；人機接口部分設置了一個有6個按鍵的鍵盤和3.2英寸TFT彩屏液晶。
3 移動超聲波風速儀的硬件設計
    移動式超聲波風速風向測量系統以基于32位ARM Cortex-M3內核的微處理器 LPC1768作為系統的控制與運算核心。該芯片為NXP公司的基于第二代ARM Cortex-M3內核的微控制器，其操作頻率高達120 MHz，代碼執行速度高達1.25 MIPS/MHz,并有豐富的接口部件。ARM芯片自身的高速處理技術將有助于提高超聲波風速風向測量系統的測量精度和實時性。
3.1 超聲波風速測量模塊的設計
    超聲波是頻率高于20 kHz的聲波，其相比于可聽聲有中心頻率較高、發射指向性好、穿透能力強等優點。利用超聲波的這種性能可以制成超聲波傳感器，它是一種既可以把電能轉化為聲能，又可以把聲能轉化為電能的器件[6]。本系統采用FUS-200型超聲波換能器，它是一種中心頻率為200 kHz的高頻壓電式超聲波換能器，驅動電壓為60 V，與頻率的普通換能器的驅動電壓（一般為200~400 V）相比，具有聲電轉換效率高、驅動電壓低、容易成型等突出優點。
　系統采用基于自激型驅動電路的原理設計，利用了超聲波換能器自身的諧振特性，再配合以外部相關電路使換能器在諧振頻率附近產生振蕩。
　如圖2所示，激勵脈沖由微控制器產生并從K1送入，通過三極管Q4放大驅動MOS管，將12 V電壓接入脈沖變壓器升至60 V控制RC電路的充放電的切換，產生200 kHz的震蕩，驅動超聲波換能器。驅動電壓波形如圖3所示。為保護后續放大電路，在接收端連接一對反并聯二極管D2、D3進行信號限幅。系統還設計了驅動電路開關IN1，由微控制器引腳電平控制，在加激勵脈沖之前打開，結束后關閉，有效減輕了脈沖變壓器的信號干擾。

    為了使微控制器精確地捕捉到信號的邊沿，獲得超聲波信號到達的準確時間，應對接收到的信號進行放大、濾波、包絡檢波和閾值比較。
    放大電路由兩片低噪聲、高速寬帶運算放大器OP37和RC網絡組成，理論放大倍數約為2 200倍，符合后續處理電路的輸入電壓要求。濾波部分采用了單運放TL082為核心的壓控電壓源二階帶通濾波電路作為帶通濾波器,下限截止頻率100 kHz,上限截止頻率300 kHz。
    包絡檢波可以將環境變化對超聲波信號的幅度的影響減到最低。經過包絡檢波后的信號是一個正弦信號，此時為獲得超聲波信號的到達時間，系統設計采用了電壓比較器LM393進行閾值比較。
3.2 基座測速模塊的設計
    基座測速采用開關式霍爾傳感器與單片機結合的設計。相比于常用的GPS測速和光電測速，霍爾傳感器測速方法具有信號輸出穩定、結構簡單、能適應惡劣工作環境的優點。
    當粘有磁鋼的車輪運動時，磁鋼掃過固定的霍爾傳感器，霍爾元件附近磁場發生變化，進而引起霍爾傳感器輸出電壓的改變。本系統中采用集成常開開關型霍爾傳感器A04E，配合單片機捕捉電壓跳變沿，利用單片機內部的兩個定時計數器分別檢測單位時間內下降沿的個數（測頻法）和兩個下降沿之間的時間（測周法），進而計算出車輪的轉速。
    實驗測定的測頻法和測周法相對誤差與轉速的關系如圖4所示。實驗數據表明,在高轉速的范圍內，測頻法精度相對較高；在低轉速范圍內，測周法精度相對較高。實際使用時應根據具體情況設計合理的轉速算法。

    基座方向測量模塊通過數字電子羅盤實現。數字電子羅盤由于其成本低、體積小、精度高、環境適應性能好、具有數字化接口等特點，已經被廣泛應用于工業和導航系統中[7]。本系統采用意法半導體LSM303DLH電子羅盤來進行方向測量，該芯片模塊內集成有一個3軸數字加速計以及一個3軸數字磁傳感器，模塊內的磁感應元件是基于霍尼韋爾的各向異性磁阻（AMR）技術所設計的。使用環境的鐵磁介質引起的磁場變化導致電子羅盤輸出精度下降是常見現象[7]，因此在使用之前要進行校準，以消除附近磁場的影響。使用電子羅盤測得的航向還應根據國際地磁參考區域(IGRF)，在羅盤輸出的航向值上加上或減去當地的磁偏角，才能得出正確的以地理北極為參考的方位角。
3.3 數據通信接口的設計
    數據通信接口利用了片上的4個UART串行接口。UART0用于與基座測速模塊通信； UART1經過電平轉換芯片MAX3232與PC上位機通信；UART2經過半雙工收發器SP3485轉化為RS-485電氣標準，用于可能需要的長距離通信和多設備組網；UART3用于輔助調試和后期擴展使用。
4 系統軟件設計
    根據系統功能模塊的劃分，軟件設計也主要分為三部分：超聲波風速風向測量、基座運動參數通信、人機接口。主要涉及的子程序有：初始化子程序、渡越時間測量子程序、電子羅盤通信子程序、測速器通信子程序、數據計算子程序、顯示子程序和按鍵掃描子程序，以及測量基座速度的微控制器中的定時、計數程序和通信程序。編程調試環境為Keil μVision4，采用C語言為主要開發語言。主程序流程圖如圖5所示。

    研究基于移動基座的風速風向參數的測量方法及系統設計，對于航海、應急式車載自動氣象站等的建設以及危險性氣體監測等工業生產及科學研究等具有重要的理論及實踐意義。本文分析了在移動式情況下進行風速風向測量的原理，提出了以LPC1768為核心的硬件結構，并制作樣機進行了測試。實驗結果表明,本系統應用在移動式風速風向的測量領域，可以在一定程度上實現風速風向信息的智能化采集，滿足車載、船載及海上活動平臺等測風領域的風速風向測量需求。
參考文獻
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[5] 李廣峰,劉防,高勇.時差法超聲波流量計的研究[J].電測與儀表,2000,37(9):13-16.
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[7] 蔣賢志.數字電子羅盤誤差分析及校正技術研究[J].現代雷達,2005,27(6):39-41.