摘   要: 针对传统测风仪器无法直接用于移动条件下（如车载或船载时）的风速风向测量的问题,设计了一种可以在移动平台上应用的超声波风速风向测量系统。该系统使用超声波时差法测量平面内二维风向风速，同时使用霍尔传感器和电子罗盘测量基座的移动速度和方向，通过微处理器对测得的风速风向进行修正，得到实际风速和风向。系统采用ARM作为核心控制器，提高了时差的测量精度，并降低了功耗。
关键词： 超声波； 风速测量； 移动平台

    风是相对于大地表面的空气运动,风速大小和方向严重影响人类的生活。高分辨率、高精度的风速风向测量在气象研究、天气预报、大气环境监测等方面占有非常重要的地位[1]。常用的风速风向的测量方法主要有风向标、风杯、风轮、超声波等。超声波测风仪因为具有安装简单、维护方便、测量精度高等特点，在工业生产和科学实验中都有广泛应用[2]。超声波测风仪的设计已有很多种,如参考文献[3]设计了一种以DSP为核心，使用超声波换能器和红外线检波接收器的超声波测风设备；参考文献[2]设计了一种基于高速单片机和收发一体式超声波换能器的测风设备，并使用了铂电阻和湿敏电容进行温度补偿;参考文献[4]介绍了移动平台上测风的基本原理并进行了初步的系统设计。
    测风设备在特殊要求下，需要在相对于大地运动的基座上进行测量时(如在行驶的汽车上、航行的船舶上)，传统仪器因为无法修正基座运动给测量带来的偏差从而无法得到准确的数据。本文设计了一种基于ARM芯片的风速测量系统，该仪器使用超声波时差法测量平面二维风速，同时使用霍尔传感器和电子罗盘测量基座的运动方向和速度，并对测得的风速风向进行修正从而获得真实的风速风向数据，适用于基座移动过程中的测量。实验结果表明,该系统具有适用范围广、精度高、稳定性强的特点。
1 移动式超声波风速风向测量原理
　    当超声波在有风的空气中传播且传播的距离为一预定值时，其顺流和逆流传播将有一个以时间差形式表现出来的速度差，而这个时间差与待测的风速之间是具有一定线性关系的[5]。在空间水平面上放置两个收发一体的超声波换能设备A和B，两个设备之间的距离为d，假设超声波在静止的空气中传播速度为c，风的方向为A到B的方向，速度为vAB，从A发射超声波到B接收到经过的时间为t1，从B发射到A接收到经过的时间为t2，可以得到：
 
    超声波在空气中的传播速度是受温度影响的，从式(1)中可以看出，风速的测量中并不包含超声波速度的项，因此避免了温度对系统测量精度的影响[4]。
    若在这两个超声波换能设备连线的垂直线上，再放置两个相同的超声波换能设备,就可以测得风速在平面直角坐标系下在两个坐标轴上的映射分量。当测量基座相对大地运动时，超声波测风设备测出的风速风向值结合测量基座运动的方向与速度值进行系统修正，就可得出实际条件下自然风的风速风向值。
2 移动式超声波风速仪总体设计
　如图1所示，系统外围部件主要由超声波风速测量模块、基座测速模块、方向测量模块、数据通信接口模块和人机接口模块构成。

　超声波风速测量模块采用收发一体式超声波换能器，不仅简化了电路设计的复杂度，同时也为后期的安装使用提供了便利；基座测速模块采用霍尔速度传感器与单片机相结合，采用RS232串口通信方式将速度基座运动速度传送到微控制器；方向测量模块采用先进的集成式磁传感器LSM303DLH，通过通信方式将方向信息传送到微控制器；数据通信接口提供了RS232和RS485两种接口，分别适应近距离和远距离与上位机的通信；人机接口部分设置了一个有6个按键的键盘和3.2英寸TFT彩屏液晶。
3 移动超声波风速仪的硬件设计
    移动式超声波风速风向测量系统以基于32位ARM Cortex-M3内核的微处理器 LPC1768作为系统的控制与运算核心。该芯片为NXP公司的基于第二代ARM Cortex-M3内核的微控制器，其操作频率高达120 MHz，代码执行速度高达1.25 MIPS/MHz,并有丰富的接口部件。ARM芯片自身的高速处理技术将有助于提高超声波风速风向测量系统的测量精度和实时性。
3.1 超声波风速测量模块的设计
    超声波是频率高于20 kHz的声波，其相比于可听声有中心频率较高、发射指向性好、穿透能力强等优点。利用超声波的这种性能可以制成超声波传感器，它是一种既可以把电能转化为声能，又可以把声能转化为电能的器件[6]。本系统采用FUS-200型超声波换能器，它是一种中心频率为200 kHz的高频压电式超声波换能器，驱动电压为60 V，与频率的普通换能器的驱动电压（一般为200~400 V）相比，具有声电转换效率高、驱动电压低、容易成型等突出优点。
　系统采用基于自激型驱动电路的原理设计，利用了超声波换能器自身的谐振特性，再配合以外部相关电路使换能器在谐振频率附近产生振荡。
　如图2所示，激励脉冲由微控制器产生并从K1送入，通过三极管Q4放大驱动MOS管，将12 V电压接入脉冲变压器升至60 V控制RC电路的充放电的切换，产生200 kHz的震荡，驱动超声波换能器。驱动电压波形如图3所示。为保护后续放大电路，在接收端连接一对反并联二极管D2、D3进行信号限幅。系统还设计了驱动电路开关IN1，由微控制器引脚电平控制，在加激励脉冲之前打开，结束后关闭，有效减轻了脉冲变压器的信号干扰。

    为了使微控制器精确地捕捉到信号的边沿，获得超声波信号到达的准确时间，应对接收到的信号进行放大、滤波、包络检波和阈值比较。
    放大电路由两片低噪声、高速宽带运算放大器OP37和RC网络组成，理论放大倍数约为2 200倍，符合后续处理电路的输入电压要求。滤波部分采用了单运放TL082为核心的压控电压源二阶带通滤波电路作为带通滤波器,下限截止频率100 kHz,上限截止频率300 kHz。
    包络检波可以将环境变化对超声波信号的幅度的影响减到最低。经过包络检波后的信号是一个正弦信号，此时为获得超声波信号的到达时间，系统设计采用了电压比较器LM393进行阈值比较。
3.2 基座测速模块的设计
    基座测速采用开关式霍尔传感器与单片机结合的设计。相比于常用的GPS测速和光电测速，霍尔传感器测速方法具有信号输出稳定、结构简单、能适应恶劣工作环境的优点。
    当粘有磁钢的车轮运动时，磁钢扫过固定的霍尔传感器，霍尔元件附近磁场发生变化，进而引起霍尔传感器输出电压的改变。本系统中采用集成常开开关型霍尔传感器A04E，配合单片机捕捉电压跳变沿，利用单片机内部的两个定时计数器分别检测单位时间内下降沿的个数（测频法）和两个下降沿之间的时间（测周法），进而计算出车轮的转速。
    实验测定的测频法和测周法相对误差与转速的关系如图4所示。实验数据表明,在高转速的范围内，测频法精度相对较高；在低转速范围内，测周法精度相对较高。实际使用时应根据具体情况设计合理的转速算法。

    基座方向测量模块通过数字电子罗盘实现。数字电子罗盘由于其成本低、体积小、精度高、环境适应性能好、具有数字化接口等特点，已经被广泛应用于工业和导航系统中[7]。本系统采用意法半导体LSM303DLH电子罗盘来进行方向测量，该芯片模块内集成有一个3轴数字加速计以及一个3轴数字磁传感器，模块内的磁感应元件是基于霍尼韦尔的各向异性磁阻（AMR）技术所设计的。使用环境的铁磁介质引起的磁场变化导致电子罗盘输出精度下降是常见现象[7]，因此在使用之前要进行校准，以消除附近磁场的影响。使用电子罗盘测得的航向还应根据国际地磁参考区域(IGRF)，在罗盘输出的航向值上加上或减去当地的磁偏角，才能得出正确的以地理北极为参考的方位角。
3.3 数据通信接口的设计
    数据通信接口利用了片上的4个UART串行接口。UART0用于与基座测速模块通信； UART1经过电平转换芯片MAX3232与PC上位机通信；UART2经过半双工收发器SP3485转化为RS-485电气标准，用于可能需要的长距离通信和多设备组网；UART3用于辅助调试和后期扩展使用。
4 系统软件设计
    根据系统功能模块的划分，软件设计也主要分为三部分：超声波风速风向测量、基座运动参数通信、人机接口。主要涉及的子程序有：初始化子程序、渡越时间测量子程序、电子罗盘通信子程序、测速器通信子程序、数据计算子程序、显示子程序和按键扫描子程序，以及测量基座速度的微控制器中的定时、计数程序和通信程序。编程调试环境为Keil μVision4，采用C语言为主要开发语言。主程序流程图如图5所示。

    研究基于移动基座的风速风向参数的测量方法及系统设计，对于航海、应急式车载自动气象站等的建设以及危险性气体监测等工业生产及科学研究等具有重要的理论及实践意义。本文分析了在移动式情况下进行风速风向测量的原理，提出了以LPC1768为核心的硬件结构，并制作样机进行了测试。实验结果表明,本系统应用在移动式风速风向的测量领域，可以在一定程度上实现风速风向信息的智能化采集，满足车载、船载及海上活动平台等测风领域的风速风向测量需求。
参考文献
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[2] 于洋,石佳，陈亮，等.基于C8051F102的高精度全天候超声波测风仪的设计[J].传感器技术学报，2012,25(11): 1623-1626.
[3] 罗中兴，魏毅立，施静伟.基于DSP的超声波测风仪[J].声学与电子工程，2009(2):39-41.
[4] 张自嘉，葛志鑫.移动式超声波风速风向测量系统[J].仪表技术与传感器,2011(10):69-70.
[5] 李广峰,刘防,高勇.时差法超声波流量计的研究[J].电测与仪表,2000,37(9):13-16.
[6] 简盈，王跃科，潘仲明.超声波换能器驱动电路及回拨接 收电路的设计[J].电子技术应用，2004,30(11):31-33.
[7] 蒋贤志.数字电子罗盘误差分析及校正技术研究[J].现代雷达,2005,27(6):39-41.