邢玉品，陈 晓，2
（1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044）
0 引 言
风速风向的精确测量，可广泛应用于气象预报、航海、环境监测、农林业生产、风力发电、以及科学研究等领域。传统机械式的风速风向仪有转动部件，容易对仪器本身造成磨损导致测量精度下降[1]，冰雪天气下也会因为不能正常转动造成测量结果不准确。随着科技的进步，工程师们研制出了利用超声波测量风速风向的仪器来替代传统的测风仪。超声波测风仪的测量原理可分为涡街流法、多普勒法、频差法，时差法等[2]。时差法在测量过程中并不引入声速，可以有效避免声速受温度影响对测量值造成的误差。所以本文系统采用时差法的原理进行设计。时差法要测量超声波顺风传播和逆风传播的时间，所以测量时间的精度直接决定了测风仪的测量精度。系统采用TDC-GP22芯片作为时间测量单元，该芯片利用逻辑门延迟实现高精度时间测量，测量精度可以达到[3]22 ps，其特有的第一检波功能[4]使其可以更好地应用到动态检测中。同时，采用小波阈值降噪法处理测量数据[5]，可以有效地剔除噪声数据，提高测量精度。本文以STM32F407为核心控制芯片，设计外围的驱动发射电路、调理电路和加热电路，阐述各个单元模块的具体实现过程和软件设计的工作流程。
1 超声波测风速风向原理
在传播距离固定的情况下，超声波正向传播时间和逆向传播时间存在一个时间差[6]，而这个时间差是由风速大小决定的。系统选择谐振频率为200 kHz的换能器进行超声波的发射和接收。4个换能器探头分别为S，E，N，W，换能器探头两两垂直交叉对射，固定距离d=200 mm。由于风速是一个矢量，所以可以进行合成与分解。某一时刻，在换能器S，N方向的风速值为vSN，超声波在两个换能器间的传播时间分别为tSN和tNS，声波在空气中的传播速度为c。则可以得到：
从式（1）和式（2）中可以看出，利用时差法计算风速并不引入声速，避免使温度等其他因素对声速造成的误差累积到测量结果中。
同理可得换能器E和W方向上的风速为：
由矢量合成原理可得真实风速v的值：
以换能器N所在的方向为正方向，角度随逆时针方向增大，风向角θ是风与正方向的夹角。则某一时刻风向角的余弦值为：
由式（2），式（4），式（5）可得风向角θ的值为：
同理可得其他时刻的风速值和风向角的大小。
2 超声波测风仪的系统设计
超声波测风仪的系统框架设计如图1所示。超声波测风仪的硬件系统主要实现功能是驱动换能器发射超声波，对接收到的微弱回波信号进行滤波放大，利用TDC-GP22芯片精确测量信号的飞行时间和温度[7]，单片机对测量的时间数据进行处理，输出风速、风向值。
图1 系统总体框架图Fig.1 System overall framework
主控芯片采用STM32F407，它集成了新的DSP和FPU指令，168 MHz的高速性能使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新的水平，提升控制算法的执行速度和代码效率。4个AQW214构成一个通道选择电路，单片机控制AQW214对换能器进行选通，保证某一时刻只有一对换能器处于工作状态，其中一个处于发射状态另一个处于接收状态。TDC-GP22自带温度检测功能，对其中一个探头温度值进行监测，当温度小于设置的正常温度时，单片机开启加热模式对换能器加热，使该系统在冰雪天气下也能正常工作。系统可采用太阳能电池供电，测量的结果通过4G无线通信模块发送到上位机，解决了边远山区供电困难布线麻烦的问题，可应用于边远山区或者无人的海岛气象站。
2.1 驱动发射电路
超声波换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换为声信号或者将声信号转换为电信号的能量器件。当它的工作频率等于自身谐振频率时，可以获得最大发射效率。图2为驱动发射电路。
图2 驱动发射电路Fig.2 Drive transmission circuit
通过配置TDC-GP22的寄存器在脉冲发生端口产生一个电压约为3.3 V的200 kHz的脉冲序列，经U5放大后驱动M1。功率MOS管M1和中周变压器T1构成一个功率放大电路，信号经过T1放大后驱动换能器发射超声波信号。T1和C5构成一个LC振荡电路，12 V直流输入，在MOS管开关和变压器作用下输出一个峰峰值约为300 V的正弦波。电解电容E3,E4和R8并联构成一个储能电路，在无信号时电源给储能电路充电，有信号时储能电路放电提供能量，保证发射电路达到足够的发射功率。
2.2 TDC-GP22测量模块
本文采用TDC-GP22时间数字转换芯片进行时间测量和温度测量，既简化了电路，又能提高测量精度。采用TDC-GP22测量范围2，时间测量分辨率高达22 ps。它与STM32F407通过SPI接口进行通信，通过配置TDCGP22的寄存器可以产生脉冲序列驱动换能器，同时内部产生一个start信号，start信号沿着有固定传播时间的逻辑门形成的传播链传播。接收到的回波信号经过放大滤波以后触发门限值产生一个stop信号。根据stop信号到来时start信号通过逻辑门的个数就可以求得一次单向传播的时间。在高动态强气流的环境下，会产生许多干扰信号，采用TDC-GP22的第一检波功能，可以有效滤除干扰，提高精度。
图3所示为TDC-GP22的外围电路连接，J4为换能器端的热敏电阻，通过PT1与TDC-GP22连接，同时每个探头都有加热电阻和加热电路连接。TDC-GP22通过检测C10对R16和热敏电阻放电时间测量出换能器端的温度。单片机读取TDC-GP22测量的温度值，当温度低于设定温度时开启加热模式，对换能器进行加热，保证换能器正常工作，不受冰雪天气的干扰。
图3 TDC-GP22的外围电路Fig.3 Peripheral circuit of TDC-GP22
2.3 接收调理电路
超声波在传输过程中由于声束扩散、微粒对声波的散射、介质吸收等因素的影响衰减很严重[8]，接收的回波信号比较微弱，而且存在严重的噪声干扰，需要对信号进行滤波放大才能输入到TDC-GP22的STOP端。接收调理电路包括由TLC082及其外围电路构成的一个4阶带通滤波器以及小信号放大模块。TLC082是双路高输出驱动运算放大器，具有高转换率、高输出驱动、低输入噪声电压等特点。信号放大模块采用OPA177运算放大器，其具有超低噪声，1 kHz时可实现很低的噪声密度和超低失真（0.000 015%）。图4是经过调理电路调理后的输出信号。
图4 滤波放大后的信号Fig.4 Filtered and amplified signal
3 数据处理
换能器在一个方向200 ms内进行350次测量，理论上测量的数据是近似相等的。但换能器置于开阔的空间，会受到空气中固体颗粒对信号的反射和系统自身电磁干扰的影响，导致测量数据引入较多的噪声，数据波动较大，影响系统的测量精度。采用小波变换的缺省阈值降噪算法对测量数据进行降噪处理。降噪的一般过程[9-10]如下：
1）对测量数据进行小波分解。选择合适的小波及分解的尺度K，计算数据在K级的小波分解系数。
2）对小波分解的系数设置阈值。
式中：n是数据长度；σ是噪声对应的标准差。
3）重建信号。用近似系数和修正后（阈值处理）的细节系数来重建信号。
图5是原始数据和使用缺省阈值降噪后的数据对比。数据降噪后累加求和取平均值即为当前的信号传播时间，系统根据这个时间计算某一方向的风速值。
图5 降噪后的效果对比图Fig.5 Comparison of effect after noise reduction
4 系统软件设计
在测量系统中，STM32F407控制整个系统的逻辑时序。系统的程序流程图如图6所示。系统上电复位后STM32F407初始化，通过SPI总线配置GP22的各项参数。对GP22进行初始状态是否异常，如果异常提示错误并重新初始化，否则进行时钟校准。单片机对换能器的发射和接收通道进行选择，然后发出开始测量的指令，GP22产生start信号同时发送200 kHz脉冲信号，经放大后驱动换能器。换能器接收的回波信号经过滤波放大后输入GP22触发产生stop信号，GP22计算信号飞行时间和温度，结果写入寄存器并产生中断。单片机接收中断读取并储存测量的结果。定时器时间未到，则沿着某一方向进行多次测量。定时器产生中断，单片机对某一方向测量的数据进行降噪处理并计算出时间。测量4个方向的时间后计算出风速和风向，并把结果传给上位机。如果温度过低则开启加热模式。
图6 程序流程图Fig.6 Program flow chart
5 测试结果与分析
由于实验条件的限制，初步的系统实验采用性能稳定的低速气流源进行测试，研制的超声波测风系统在不同风速下的测量结果与手持式测风仪测量值进行对比，如表1所示。实验中用的手持式测风仪是风压式的，有启动风速值，而超声波测风仪器没有启动风速限制，所以在启动值附近测量的风速值的误差较大。随着风速值的增大，系统的测量误差减小。这是因为风速较低时，换能器的探头对风场产生的影响较大，所以测量误差较大。随着风速值变大，探头对风场的影响减小，测量的精度会提升。
表1 系统测试结果Table 1 System test results
6 结 论
针对现有超声波测风仪电路复杂、测量精度差的问题，本文设计一种基于TDC-GP22的超声波测风仪，采用STM32F407为主控制芯片，通过TDC-GP22进行时间测量和温度测量，测量精度可以达到22 ps，STM32F407对测量的数据采用小波变换的缺省阈值算法进行降噪处理，有效地滤除噪声干扰，减小测量误差，测量的风速、风向值通过无线传输至上位机可以实现实时监测。通过测试，该系统的测量精度和稳定性非常可靠，具有很高的实用价值。
