（测试计量技术及仪器专业论文）超声波隧道风速测量技术研究.pdf

中文摘要 目前，我国公路隧道建设与日俱增，隧道安全运营问题显得越来越突出，隧 道环境监测与控制成为公路隧道安全运行的重要课题。通风系统是隧道行车安全 的重要保障，而风速值是通风系统调整工作状态的重要依据，隧道风速的实时检 测有着非常重要的意义。本文主要研究超声波隧道风速实时检测技术，开发适用 于隧道环境的风速仪。文中详细分析了超声波风速测量原理，建立了测量模型， 提出了一种18 0d 数字鉴相新方法。采用c p l d 及a v r 单片机完成了测量系统的 设计和调试，并进行了实验验证。 论文的主要工作包括以下几个方面： l ：论述了基于超声波原理的风速测量技术，比较了超声波风速测量的各种方法， 根据实际测量要求选择了相差法超声波风速测量方法。详细建立了相位差法 测量的数学模型，为系统设计打下了坚实基础。 2 ：利用建立的超声波相差法风速测量模型详细分析了测量误差来源和精度提高 途径，优化设计了系统机械结构。 3 ：设计制作了超声波发射和接收电路，并对电路性能进了实验。 4 ：分析了鉴相精度提高的方法和数字鉴相的原理。创新设计了一种新的能实现 1 8 0 0 数字鉴相器，并利用复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 实现了信号辨向和 高精度相位检测。 5 ：以单片机a t m e g a l 2 8 和c p l d 为核心，设计制作了风速仪测量系统电路， 编制了风速仪软件，实现了风速测量，系统控制和r s 2 3 2 通讯。 6 ：完成了风速仪整机制作，完成了整机性能调试和实验验证。 关键词：风速超声波 相差法数字鉴相c p l d a b s t r a c t t h et u n n e l su s e di nr o a d sa r em o r ea n dm o r ei nc h i n a ，t h es a f e t yo p e r a t i o no f t h e s et u n n e l si sv e r yo u t s t a n d i n g ，a n dt h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo ft h e t u n n e li sa ni m p o r t a n ts u b j e c to ft h et u n n e l ss a f e t yo p e r a t i o n v e n t i l a t i o ns y s t e mi sa n i m p o r t a n tg u a r a n t e eo ft h es a f e t yo p e r a t i o n ，a n dt h ew i n dv e l o c i t yi s a ni m p o r t a n t b a s i sf o ra d ju s t i n gt h ew o r k i n gs t a t eo ft h ev e n t i l a t i o ns y s t e m ，s ot h er e a l t i m e d e t e c t i o no ft h ew i n ds p e e di nt u n n e l si sv e r yi m p o r t a n t t h em a i ns u b j e c to ft h i s d i s s e r t a t i o ni sr e s e a r c ho nt h eu l t r a s o n i cr e a l t i m ed e t e c t i o no fw i n ds p e e di nt u n n e l s ， a n dd e v e l o p i n ga na n e m o m e t e rt h a tc a nb eu s e di nt u n n e l s t h em e a s u r i n gp r i n c i p l e o ft h eu l t r a s o n i cw i n d s p e e dd e t e c t i o ni si n t r o d u c e d ，a n dam e a s u r i n gm o d e li s e s t a b l i s h e d a n dan e wm e t h o do fd i g i t a lp h a s ed e t e c t i o ni n 18 0 。i sd e s i g n e di n t h i sd i s s e r t a t i o n a n dam e a s u r e m e n ts y s t e mt h a tu s e dc p l da n da v ri sd e s i g n e d a n dv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s t h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w ： 1 t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h et e c h n o l o g yo fw i n d - s p e e dd e t e c t i o nb a s e d o nt h eu l t r a s o n i c ，c o m p a r e dt h es e v e r a lm e t h o d so fw i n d - s p e e dd e t e c t i o n ， a n dt h ep h a s ed i f f e r e n c em e t h o di ss e l e c t e d t h em e a s u r i n gm o d e lo f p h a s ed i f f e r e n c em e t h o di se s t a b l i s h e d 2 d e t a i l e da n a l y s i st h es o u r c eo fd e t e c t i o ne r r o r sa n dt h em e t h o do f i m p r o v i n gp r e c i s i o nb yu s i n gt h em e a s u r i n gm o d e lo fp h a s ed i f f e r e n c e m e t h o d ，a n do p t i m u md e s i g n e dt h em e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o ns y s t e m 4 5 d e s i g n e dt h e u l t r a s o n i c d r i v e ra n dr e c e i v e rc i r c u i t ，a n dp e r f o r m e d e x p e r i m e n t s a n a l y s i st h em e t h o dt oi m p r o v e t h ep r e c i s i o no fp h a s ed e t e c t i o na n dt h e p r i n c i p l eo fd i g i t a lp h a s ed e t e c t i o n a n dc r e a t i v ed e s i g n e dad i g i t a lp h a s e ，d r t d c t o rw h i c hc a nd e t e d tp h a s ed i f f e r e n c ei n 18 0 。a n dr e a l i z e dt h e d i s c e r n i n gd i r e c t i o na n d t h eh i g hp r e c i s i o np h a s ed e t e c tu s i n gt h ec p l d d e s i g n e dt h ec i r c u i to ft h ea n e m o m e t e rs y s t e mc o r e da sa t m e g a 12 8 a n dc p l d ，c o m p i l e dt h ep r o g r a m ，a n dr e a l i z e dt h ew i n d s p e e dm e a s u r e ， t h es y s t e mc o n t r o la n dr $ 2 3 2c o m m u n i c a t i o n m a d et h ew h o l em a c h i n eo ft h ea n e m o m e t e r , a n dd e b u g g e dt h es y s t e m ， a n dv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s k e yw o r d s ： w i n d - s p e e d ，u l t r a s o n i c ，p h a s ed i f f e r e n c em e t h o d ，d i g i t a lp h a s e d e t e c t ，c p l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂一或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：仫彳乎心签字日期：幼砖年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞连盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 弘本 签字日期：铂讨年月 彳日 新虢履爱玩 签字日期：力口。占年石月j 一日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，公路及公路隧道建设项目与日俱增，隧道安全运 营问题显得越来越突出，隧道环境监测与控制管理成为公路隧道安全正常运行的 重要课题。从6 0 年代开始，国外相继开始研究先进的隧道控制系统，欧美、日 本等发达国家先后开发了相应的隧道控制系统。随着计算机技术、图像处理技术、 通讯技术、控制技术的发展，以太网技术和总线技术突破了原有的技术瓶颈，使 隧道监测与控制系统高速信息共享成为可能。一般来说，隧道控制系统包括以下 几个方面的内容： c 0 的监测、能见度及风速、风向测量； 洞内外光照度、光亮度监测； 通风、照明系统控制； 供电、火警、紧急电话的控制、水泵控制、水位检测； 事故视频监测及报警指示、隧道和车道的运行和封闭、限速指示； 高度控制、车道引导、s o s ( 语音提示) ； 交通数据测量( 车速测量、车辆计数，车道占有率、车辆分类等) 。 通风系统是隧道行车安全的重要保证，是隧道监控系统的重要组成部分。 正常运营时隧道通风系统排除隧道内有毒气体和烟尘，火灾情况下能控制烟雾 和热度蔓延，排出烟雾为疏散乘客开通无烟通道。风速大小是隧道通风系统调整 工作状态的重要依据，因此隧道风速的实时检测有着非常重要的意义。一般隧 道通风系统利用风速仪表测量风速，并将风速值转换成4 2 0 m a 电流信号送入 控制站，根据优化的隧道运行参数，决定自动风机的开或关，车道的开或关。 超声波检测是上世纪8 0 年代出现的一种非接触检测技术，与其它方法相比， 它不受光线和被测对象颜色等影响，对黑暗、灰尘、烟雾、电池干扰等恶劣环境 有一定适应能力。随着计算机控制技术，电子技术，信息处理技术的发展，超声 波检测技术有了很大的发展，研究基于超声波技术的隧道风速测量技术既具有重 天津大学硕士学位论文第章绪论 要的理论意义，又具有重大的实用价值，应用前景十分广阔。 1 2 常见的风速测量技术 风速大小是隧道环境监测的重要指标，与隧道安全密切相关。这种特殊环境 中的风速测量应具有实时、精确、简单可靠的特点。目前主要有机械式测量、皮 托管测量、超声波测量、热膜热线测量和激光多普勒测量等方法n 1 。 1 2 1 机械式测量 机械式测量主要有螺旋桨式和风杯式风速计，一般应用于气象环境监测和管 道风速测量。基本原理是风经过桨叶或风杯时带动桨叶或风杯旋转，其转速正比 于风速，通过测量旋转速度来测量风速大小。转速可以用电触点、测速发电机、 齿轮或光电计数器等记录雎3 。 优点：结构简单，使用方便，对环境适应性强。 缺点：由于存在转动部件，易磨损，要求有启动风速；转动惯性会降低响应 速度。 适用范围：中低段平均风速的测量。( 测瞬时风速则准确度较差。) 性能指标：量程0 6 - 4 0 m s 精度 2 分辨率0 1 m s 1 2 2 皮托管测量 皮托管测量是通过测量压力来测量流速。操作时，将皮托管置于管道中心位 置，使气流方向垂直于皮托管的管口，测得该位置的动压与静压之差。速度计算 公式为： v ：( 丝声( 1 - 1 ) p ( z i p 为空气动压与静压之差，p 为空气密度) 皮托管虽能很好地取得压差信号，但需要压力传感器将其转换成电信号。在 小风速( 1 0 m s 以下) 测量中，皮托管产生的压差非常小，目前压力传感器制造 2 天津大学硕士学位论文 第章绪论 精度无法实现精确测量。皮托管风速仪一般用于隧道和管道风速测量，图卜1 是 皮托管测量风速系统简单结构。 优点：构造简单，安装迅速。流动阻力小，可测速度分布。 缺点：管口容易堵塞，不宜测量含尘气体；不能测量含腐蚀性物质的气体。 低风速段的测量精度很低。 适用范围：高风速段的测量( 此时压差传感器造成的相对误差较小) 。 性能指标：量程4 0 m s - - 1 0 0 m s ( 在此范围精度最高) 精度：3 图1 - 1 皮托管测量系统结构图 1 2 3 热膜热线测量 h w f a 的基础是无限长圆柱体在无限大流场 中的热对流理论心1 ，1 9 1 4 年k i n g 推导出了热对流 耗散和流动速度之间的关系： h = ( a - 4 - b 、i f u ) ( t s t o ) ( 1 2 ) h ：对流热耗散；a ，b 为常数； u ：流动速度： t s ：热线或热膜的工作温度 t o ：环境温度。 蛳m 图i - 2h w f a 测量原理图 根据热平衡原理，热产生应该等于热耗散： i i r s = ( t s t o ) ( a + b j u ) ( 1 3 ) i s ：加热电流；r s ：工作电阻 根据方程( 1 - 3 ) 可建立恒温和恒流两种测量形式。2 0 世纪5 0 年代以前的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 风速计大多是恒流式风速计；随着电子技术的发展，恒温风速计反应快，热滞后 效应小的优点得到发挥，替代了恒流式风速计。 优点：( 1 ) 体积小，对流场干扰小；( 2 ) 适用范围广，除了测量平均速度外， 还可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度 分量；( 3 ) 频率响应高，可高达1m hz ；( 4 ) 测量精度高，重复性好。 缺点：热线容易断裂。 适用范围：由公式( 1 - 2 ) 可知，在低风速体段测量中灵敏度更高，同时在 测量高风速时由于热耗散快，需要更多能量来维持温度，这就以电池的寿命为代 价，所以热膜和热线式风速计更适合低风速测量。 1 2 4 激光多普勒测量 目前应用最广的激光风速仪是2 0 世纪6 0 年代发明的激光多普勒测速仪( 简 称l d a 或l d v ) 。基本原理是将激光束穿透流体照射在随流体一起运动的微粒上， 检测微粒散射光的频率，根据光学多普勒效应确定微粒即流体的运动速度。按多 普勒效应，当光源照射到运动物体上时，若物体与光源之间存在相对运动，物体 散射光的频率与光源发出的频率不同， 称为多普勒频移，频移量与相对运动速 度有关。 右图为多普勒频移示意图，设固 定激光器发出的入射光( 单色光) 频率 为 的激光束照射到随流体一起运动 的微粒p 上，微粒成为一个散射中心。 图卜3l d v 测量原理图 由于微粒与光源存在相对速度n 微粒散 射光与入射光发生第一次频移。若用固定的光接收器接收微粒散射光，由于微粒 与接收器之间，存在相对速度一n 接收器接收到的频率f 是微粒散射光发生第 二次频移后的频率。从入射光到接收器接收到的散射光之间的总频移，称为多普 勒频移。通过对频移量的检测可以测量出散射粒子的运动速度，从而测量出流速。 激光多普勒测速仪的优点：( 1 ) 非接触式测量，对流场无干扰，这是激光测 速的最大优点；( 2 ) 空间分辨率高。测量点的空间容积可小至1 0 - 6m m ，满足点 测量的要求；( 3 ) 测量精度高，可达0 1 1 ，而且不需要定期校正，可用于校 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 正其他测速仪器；( 4 ) 动态响应好，可进行实时测量；( 5 ) 能判别流动方向；( 6 ) 测速范围大，从0 0 5l am s 到1 0 6 m s 均可测量。 激光多普勒测速仪的主要缺点：( 1 ) 要求光路通道上的透明度好，因此要求 用透明材料制作实验段的窗口；( 2 ) 粒子跟随性问题。在脉动速度较大的流场( 如 湍流) 中微粒对流体的跟随性降低，但只要微粒足够小，跟随性一般可达到测量 要求。( 3 ) 价格昂贵。 1 2 5 超声波风速测量 超声波是频率在2 0 足忱以上，人耳察觉不到的声波，具有定向性好、反射性 强等优点，超声波传感器被广泛应用于非接触性检测h 1 。 根据信号检测原理，超声波风速测量大致可分为速度差法( 包括直接时差法、 时差法、相位差法) 、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法口1 。 波束偏移法利用超声波束在气流中的传播方向随流速变化而产生偏移来反映风 速，低风速时灵敏度很低，适用性不强。噪声法( 听音法) 是利用管道内流体流动 时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。方法 简单，设备价格便宜，但准确度低。相关法是利用相关技术测量流量，此方法的 测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度和浓度等无关，测量准确度高， 适用范围广，但相关器价格贵，线路比较复杂。多普勒法是利用声学多普勒原理， 通过测量不均匀流体中散射体散射的多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬 浮颗粒、气泡等流体流量测量。 由于直接时差法、时差法、相位差法的基本原理都是通过超声波脉冲顺流和 逆流传播时速度之差来反映流体流速们，故又统称为传播速度差法。目前使用最 广泛的方法是速度差法。 超声波风速测量技术的优点：( 1 ) 测量范围广，在理论上没有测量上限，且 不要求有启动风速；( 2 ) 对测量环境要求不高，适应范围广；( 3 ) 精度高，目前 国内外的产品能达到1 的测量精度。由于上述优点，超声波风速测量技术得到 广泛应用。 1 2 6 各种风速测量技术的比较 在以上五种常见风速测量技术中热膜热线测量精度较高，但只适合低风速段 5 天津大学硕士学位论文第一章绪论 测量；激光多普勒风速仪有很高的测量精度和很广的测量范围，但复杂昂贵的系 统结构很难在隧道环境中使用。机械式测量、皮托管测量和超声波测量是目前较 为常见的隧道风速测量方法。由于存在转动部件，机械式测量要求有启动风速， 同时转动惯性会引起迟滞效应，适合精度要求较低的场合。皮托管在小风速 ( 1 0 m s 以下) 测量中精度很低；且不适合含烟尘气体的风速测量，使用受到一 定限制。超声波风速测量是利用风速对超声波频率、或传播速度、或方向偏移、 或其他方面的影响实现风速测量，拥有良好的性能指标，尤其适于隧道环境中的 风速测量，是目前隧道环境监控系统普遍采用的风速测量方法。 1 3 本文主要工作 本文的目标是研发工控型风速仪，与c o 浓度检测仪和可见度检测仪共同构 成隧道环境监测系统。根据国内外超声波隧道风速测量技术发展现状，考虑到与 国内外同类产品的性能，并且分析了现场实际的需要，开发的隧道风速仪性能指 标如下： 测量范围：3 0 m s 输出：4 - - - , 2 0 m a 标准电流 输出信号误差：1 输出信号重复性：1 工作电源：a v 2 2 0 5 0 h z 工作温度：一3 0 。c 5 0 0 c 防护等级：i p 6 5 外部通讯：r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 为实现仪器的开发设计并进行超声波风速测量技术探索，本文的主要工作 有： 1 分析研究现有的风速测量技术，确定检测方法。 2 建立风速测量的数学模型，详细设计系统结构。 3 设计超声波发射和接收电路，并对电路性能进行实验。 4 设计一种能实现1 8 0 口数字鉴相的方法，集鉴相和辩向于一体的数字鉴相器。 5 设计风速仪软件，包括测量软件和通讯软件。 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 6 实际制作风速仪仪器，并进行性能测试。 1 4 本章小结 本章阐述了隧道风速测量在隧道环境监控系统中的作用。对不同的风速测量 方法进行比较，选择超声波风速测量方法。最后对本次设计的任务和主要工作内 容做了介绍。 7 天津大学硕士学位论文第二章测量原理及系统结构设计 2 1 测量原理 第二章测量原理及系统结构设计 目前使用最广泛的超声波风速测量方法是速度差法，即通过超声波脉冲顺风 和逆风传播速度之差来测量风速。存在两个关键问题：( 1 ) 如何配置传感器以构 造顺风和逆风路径，这是建立测量系统的首要问题。( 2 ) 速度差不能直接测量， 一般转换成超声波在顺风和逆风路径上传播的时间差t 来实现测量。如何对接 收信号进行处理以精确测量时间差t 是实现高精度测量的核心。传统的传感器 配置有以下几种方法：z 法( 透过法) 、v 法( 反射法) 、x 法( 交叉法) 陆1 。如图2 - 1 所示。 图2 - 1 传统的传感器配置图 以上三种传感器配置方法都不能直接测量出t ，必须分别测量超声波在顺 风和逆风路径上的传播时间，相减后得到时间差t ，进而计算出风速。这种工 作方式带来下三个缺点：( 1 ) 控制过程和信号处理都比较复杂；( 2 ) 通过两个步 骤测量时间差，形成累积误差，这是测量精度提高需要克服的问题1 ；( 3 ) 对超 声波在顺风和逆风路径上传播时间的测量精度依赖于单片机信号处理的精度，而 普通单片机的晶振频率对提高测量精度是不够的口j 。如何解决以上三个问题是本 文重要内容。 由于传统的传感器配置方式存在诸多不足，本文提出一种新的传感器配置形 式，使上述问题迎刃而解。系统采用一只发射传感器s ，两只接收传感器a 、b 组成的等腰三角形结构，如图2 - 2 所示。 天津大学硕士学位论文 第二章测量原理及系统结构设计 直线a b 平行于隧道方向；设s a b = z s b a = 口，o a = o b = l ；由于风向 总是平行于隧道，设风速v 为b a 方向。则有： l s a = 南，v 。a = c + v c o s 秒；l s b = 面l ，v 。b = c - v c o s 秒，可得： 则有： l c o s 0 t s b = = c - v c o s o l c o s o t s a2 = c + v c o s 8 出= t s b - - t s a2 于 2 v l v 2 c o s 2 口 一般情况下，v 远小于c ，上式可简化为 则可计算出： t 一2 l v c 2 a t c 2 v 2 l 影 i 乏 图2 - 2 超声波隧道风速仪原理图 2 2 影响测量精度的因素和解决方法 对公式( 2 - 5 ) 求全微分可得： 9 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 天津大学硕士学位论文第二章测量原理及系统结构设计 d v ：a t d c + 竺d t 一一3 l t c 2 d l( 2 6 ) l2 l2 l 2 由公式( 2 - 6 ) 可知，提高测量精度需要从t ，c ，l 三方面考虑： 2 2 1 传感器定位误差的影响 传感器在机架上固定后l 就已完全确定，但l 的实际值与设计的理想值总会 存在一定偏差，即传感器的定位误差，这给测量带来两方面的影响t ( 1 ) 设传感 器的定位误差为l ，由式( 2 6 ) 可知：瓦a v = 一垒笋了1 ，带来的相对误差 一a v ：一些，可通过精密加工及合理的结构设计将这项误差减到最小。( 2 ) 理论 vl 上风速为0 时，传感器s 发出的信号会同时到达接收传感器a 、b ，但传感器的 定位误差使顺风和逆风路径不完全对称，使得风速为0 时信号到达两个接收传感 器的时差t 不为零，给风速测量带来系统误差。这项误差无法通过硬件系统来 修正，只能通过软件来补偿呻1 。 2 2 2 温度变化带来的影响 超声波传播速度为c = 3 3 1 5 + 0 6 0 7 t 。由公式( 2 6 ) 可以计算出温度变 化1 。c 带来的相对误差约为0 1 8 ，而产品设计允许的测量误差为1 。温度变化 带来的误差是测量误差的重要组成部分，系统应有温度补偿功能。 2 2 3 时间差a t 的测量精度分析 t 的测量是实现风速测量的关键，直接决定了测量精度。对t 的测量有两 种方法： l 、直接时差法。传感器s 发射一列脉冲( 一般为几十个) ，通过检测这一列 脉冲到达接收传感器a 、b 的时间差来确定t 。由于接收传感器存在逐步起振和 余振逐渐消失的过程，难以精确测定脉冲到达接收传感器的时间。需要利用相关 法实现高精度检测，增加了信号处理的难度阳1 。 2 、相位法。传感器s 处于连续工作状态，则传感器a 、b 的接收信号为相位 不同、频率均为4 0 k h z 的正弦波，通过测量两路接收信号的相位差矽就可以确定 1 0 天津大学硕士学位论文第二章测量原理及系统结构设计 a t ：上( 2 7 ) 2 耐 这种方法原理简单，可实现高精度数字检测。但也存在一定局限：由于需要 对隧道风速进行辨向，t 不能超过半个周期。目前用于风速测量的超声波频率 一般为4 0 k h z ，在传感器s 、a 、b 的位置确定时t 警1 2 5 芦限定了系统的 测量范围： v 堕丝：竺( 2 8 ) 2 l 系统采用相位法测量t ，所以鉴相精度直接决定了测量精度。如何减小鉴 相误差及其影响是提高整个系统测量精度的关键。 利用c p l d 高速，高稳定性和现场可编程的特点实现高精度数字鉴相， 将鉴相误差控制到最小。本文设计了一种全新的具有18 0 。鉴相特性的高精度 数字鉴相器，具体方法和逻辑电路设计在第四章详细介绍。 鉴相精度已经确定的情况下，如何减小鉴相误差对测量精度的影响。 设鉴相误差为矽，则矽给测量带来的相对误差为 占：鲤( 2 9 )占= 二l z 一苫j 矽 风速v 很小时，两路接收信号的相位差矽也很小，由公式( 2 - 9 ) 可知此时占 会很大。为解决这个问题，系统在a 、b 的外侧增加了传感器a o 、b o 用于低风 速段的测量，如图2 3 所示。根据公式( 2 4 ) 可知，由于a o 、b o 对应的l o 较 大，在v 很小时矽可以保持较大的值。在痧已确定的情况下，测量的相对误差占 会保持在较小的范围。 j 拜趴 h r 一 a o 0a l 。b吲 图2 - 3 传感器配置图 图2 4传感器辐射特性图 天津大学硕士学位论文第二章测量原理及系统结构设计 2 3 系统结构 2 3 1 机械结构的优化 通过相位法测量精度分析，测量系统采用一个传感器连续发射，两对传感器 同时接收的结构实现不同风速段的测量，在扩大了测量范围的同时保证了低风速 段的测量精度，如图2 3 所示。 设计任务要求测量范围是3 0 m s 。根据精度要求将测量范围分为两段：外 侧传感器用于( o 一1 0 ) m s 的风速测量；内侧传感器用于0 0 3 0 ) m s 的风速测 量。由公式( 2 4 ) 可以确定l = 2 0 m m ，l n = 7 0 m m 。 高度h 对测量精度虽然没有直接影响，但h 的取值考虑两种情况：( 1 ) 超声 波在空气中衰减很快，同时在传播过程中会引入干扰和噪声，h 值过大会降低接 收信号的信噪比。( 2 ) 超声波传感器的辐射特性如图2 5 所示。当测量角度小于 3 0 0 ，测量距离小于3 0 c m 时，声压级衰减基本在l o d b 以内。参照图2 - 3 可知： l 。固定时，h 越小则越大，信号衰减越严重，应控制在3 0 0 以内。实验证明， h = 1 0 0 m m 时，接收信号强度最大。 2 3 2 整体结构设计 通过对测量原理和误差源的分析可知，整个测量系统基本由信号发射、信号 采集与处理两部分组成。发射部分产生用于测量的频率为4 0 k h z 的超声波；信号 采集与处理部分是整个测量系统的核心，必须包含以下几个基本功能：( 1 ) 两组 接收传感器进行信号采集；( 2 ) 接收模块对两组接收信号进行放大、滤波、整形 处理，以获得频率为4 0 k h z ，占空比为1 ：1 的方波信号。( 3 ) 用于高精度数字 鉴相的c p l d 和高频晶振；( 4 ) 单片机实现风速的计算，系统控制和外部通讯；( 5 ) 温度采集。 此外，设计要求输出4 2 0 m h 电流以实现隧道风速的闭环控制，目前最普遍 的方法是将1 5 v 电压进行v i 转换后得到所需电流。先将风速值进行输出格式 转换，得到与风速值成线性关系，在d a 转换器动态范围内的数字量；再将转换 结果输出至d a 转换器转换成1 - 一5 v 的电压；再通过v i 转换电路将1 5 v 电压 转换成4 - - - - 2 0 m a 标准电流。 天津大学硕士学位论文第二章测量原理及系统结构设计 由以上分析可知，实现4 - - , 2 0 m a 的电流信号输出还需要d a 转换器和v i 转 换电路。 系统结构如下图所示： 发射电路 四路接收模块jf 外部通讯 ；磊刘e ( p 辨m 7 向1 2 及8 精确鉴相) i o 刮a t m e g a i2 8h d a 转换 高频晶振卜l ( 辨向及精确鉴相)ni = ：= = 温度采集 图2 - 5系统结构图 2 3 3 需解决的主要技术问题 ( 一) 发射电路和接收电路的设计。发射电路包括振荡电路，功率驱动电路； 接收电路由放大电路、滤波电路和整形电路三部分组成。由于系统通过鉴相实现 风速测量，需考虑电路对信号相位的影响。 ( 二) 利用c p l d 大规模复杂可编程的特点，设计逻辑电路实现高精度18 0 。鉴 相。 ( - - ) 以单片机为核心的硬件系统设计。包括c p u 和c p l d 的选择，c p u 资源 的分配，c p u 对外设的访问和操作方式等。 ( 四) 编写软件实现风速的计算、系统控制和外部通讯。 2 4 本章小结 分析了传统超声波时差法的缺点，提出了种新的传感器配置方法和信号检 测方法。根据测量原理分析了误差来源，提出了相应得解决方法，并在此基础上 建立了系统结构。 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 3 1 微处理器件的选择 第三章系统硬件设计 3 1 1c p u 的选择 系统以c p u 和c p l d 为核心，包括超声波发射电路、接收电路、温度采集 电路、d a 转换电路和v i 转换电路，实现了信号发射、信号的采集与处理、温 度采集、风速计算、外部通讯及标准工业接口。由于c p u 实现的功能很多，需 要与多个外部设备进行数据交流，包括对c p l d 的读写、温度采集、格式转换的 输出、2 3 2 通讯、4 8 5 通讯，在芯片选择时要充分考虑c p u 的硬件资源。同时系 统要对风速高精度实时检测，对c p u 的运行速度和存储器容量都有一定要求。 a t m e g a l 2 8 是基于r i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器，广泛用于计算机 外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器等各个领域。a t m e g a l 2 8 具有如下特点：内嵌高质量的f l a s h 程序存储器，擦写方便，便于产品的调试、 开发、生产、更新；内嵌长寿命的e 2 p r o m 可长期保存关键数据，避免断电造成 的数据丢失；可外扩多达6 4 k b 的优化外部存储器空间；内置1 0 位a d 转换器；具 有p w m 功能的定时器计数器( t c ) ；具有片内振荡器的可编程看门狗定时器；s p i 串行端口；与i e e e1 1 4 9 1 规范兼容的j t a g 测试接口( 此接口同时还可以用于 片上调试) ；低电压供电、宽工作电压范围：2 7 5 5 v ；抗干扰能力强，可降低 一般8 位机中的软件抗干扰设计的工作量；工作温度范围达n - 5 5 c 1 2 5 c 符合 工业级要求。 基于上述特点，选用a t m e g a l 2 8 单片机作为风速仪的核心控制器。 3 1 2c p l d 器件的选择 数据采集处理电路是智能化仪器仪表及控制装置的重要组成部分，包括信号 采集、数据处理、数据存储、控制时序逻辑等电路。通常这些电路由若干芯片组 成，但当系统要求高速数据采集时，由于集成度低，各芯片速度匹配困难，数据 1 4 天津大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 采集电路结构比较复杂，设计难度大。本次设计利用c p l d 芯片本身集成的上万 个逻辑门和嵌入式阵列块，把数据采集中用到的地址发生器、读写控制时序逻辑、 译码器、计数器电路全部集成到一个芯片中，借助c p l d 芯片高速，大规模可重 构等特性，以及强大的e d a 开发工具的支持，大大降低了设计难度，提高了数据 采集系统的集成度和可靠性。另外，c p l d 可由软件实现逻辑重构，可实现在线 系统编程，使系统具有结构简单，开发周期短，升级容易等优点。 m a x 7 0 0 0 系列是高密度，高性能的c m o se p l d ，它是在a l t e r a 公司第二代 m a x 结构的基础上构成，采用了先进的0 8 z sc m o se e p r o m 技术制造。具有如下特 点： 引脚到引脚的逻辑延时为6 n s ，计数器的工作频率达1 5 1 5 m h z 。 可编程功能节省模式，使每个宏单元的功耗降到5 0 或更低。 遵守p c i 规定。 4 4 个到2 0 8 个引脚的各式封装：j 型引线塑料片式载体( p l c c ) 、针栅阵 列( p g a ) 、四边有引线扁平封装( q f p ) 、和l m m 薄的四边有引线扁平封装 ( t q f p ) 。 3 3 v 或5 o v 电源。 可编程保密位，全面保护专利设计。 可编程触发器具有单独的清除、置位、时钟和时钟使能控制。 a l t e r am a x + p l u s i i 、o u a r t u s i i 开发系统提供软件设计支持。 可进行j t a g 程序下载和在线调试。 根据资源大小，本课题选择m a x 7 0 0 0 s 系列8 4 引脚p l c c 封装的e p m 7 1 2 8 器件。 a t m e g a l 2 8 可利用并口外扩r a m 的方式对e p m 7 1 2 8 进行访问和操作，两者的 连接方式如图3 - 1 所示。 天津大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 3 2 发射电路的设计 图3 1a i m e g a l 2 8 与e p m 7 1 2 8 的连接图 发射模块的主要功能是产生用于风速测量的频率为4 0 k h z 的超声波。一般超 声波发射电路都是由振荡电路、功率放大电路及超声波传感器组成。由于系统通 过测量超声波传播的时间差来测量风速，由公式( 2 - 5 ) 可知，t 与超声波频率 并无直接关系，系统对超声波发射频率稳定性要求并不高。 发射部分的设计一般有两种方法。1 ：利用超声波传感器自身的谐振性。利 用串联谐振或并联谐振构成的自激振荡电路，这种电路在谐振频率( 4 0 k h z ) 附 近产生振荡，发射比较稳定。2 ：用一个频率为4 0 k h z 的振荡器来驱动传感器。 这种方法的电路实现比较简单。当振荡器的频率与超声波传感器的中心频率不一 致时，发射效率较低，但目前超声波传感器中心频率很稳定，通过调节振荡器的 频率就可以实现谐振。设计中采用方法二。 3 2 1 传感器的选择 超声波传感器对信号有很强的选择性，信号发射与信号接收应采用性能参数 大致相同的传感器。一般用于风速测量的超声波频率为4 0 k h z ，采用日本田村 m a 4 0 s 4 0 r s 收发型超声波传感器，其重要性能指标如下： 中心频率：4 0 0 1 o k h z 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 声压兀：10 5 d b 灵敏度：一8 0 d b 回波灵敏度：一8 3 d b 工作温度范围：4 0 - + 8 5 0 c 容许输入电压( v p 一。) ：2 0 v ，4 0 k h z 矩形波 ( 声压电平：0 d b = o o 0 0 2 肋a t ：灵敏度：o d b = i v l u b a r ) 3 2 2 振荡电路的设计 振荡电路发射频率为4 0 k h z ，属于中低频率范围，可采用r c 振荡电路。r c 振荡电路分为方波振荡电路和正弦波振荡电路，两者的区别有以下几点： ( 1 ) 正弦波频率成分单一，方波有基波的多次谐波成分； ( 2 ) 频率为国，幅值为a ，占空比为1 ：1 的方波的傅立叶展开式为： 昙 s i n 反- 1 - j 1s i n 3 c o t + 旨s i n ( 2 k 2 k 一1 ) 删+ ( 3 一1 ) 万3一l 。 基波的幅值! 1 ；相对同频率、同幅值的正弦波而言，方波的发射效率要更高。 万 ( 3 ) 方波振荡电路结构比正弦波振荡电路结构更简单。 由于系统采用的传感器具有高品质因数q ，相当于窄带滤波器，对频率的选 择性很强，只对4 0 k h z 左右的信号有响应，而将其谐波信号滤除。考虑采用方波 振荡电路，目前较为常见的r c 方波振荡电路有以下几种n 2 1 ： 施密特i c 构成的振荡电路。这种振荡电路结构简单，但其滞后电压使振 荡频率发生变化，同时对外接电源的要求也比较高。实验表明，当外接电压变化 1 v 时，电源电压变化约为2 5 。这种电路只适用于发射精度要求不高的场合， 不提倡使用。 c m o s 反相器构成的振荡电路。一 般采用c m o s 逻辑反相器接成2 级或3 级振荡电路。7 这种电路结构简单，相对 斯密特型振荡电路而言，频率相对电源 电压的变化稳定性较好，应用很广泛。 坡用运算放大器的方波振荡电路。 1 7 图3 - 2o d o s 反相器构成的振荡电路 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 运算放大器的振荡电路经常使用稳压二级管构 成限幅电路，使输出幅值稳定，不受电源电压 的影响，这是该电路的最大特点。 使用专用i c 5 5 5 的振荡电路。内有定时 电路及振荡电路的5 5 5 是一种历史悠久的单片 机集成电路，经常用作自激多谐振荡器。5 5 5 振荡电路的振荡频率范围非常宽，可由外接r c 任意设定，但不能输出严格占空比为1 ：l 的方波。 3 - 35 5 5 多谐振荡 系统需要对两组接收信号进行精确鉴相以实现t 的测量，所以对整形后信号 的占空比要求比较高，这就要求驱动传感器的方波信号具有严格的1 ：1 的占空 比。基于此考虑，系统采用方波发生芯片c d 4 0 4 7 产生频率为4 0 k h z ，占空比为 l ：1 的方波信号。c d 4 0 4 7 的原理结构如图3 4 所示： 图3 4c d 4 0 4 7 的原理结构图 从结构原理图可知：c d 4 0 4 7 的核心部分是r c 方波发生器，其主要特点是内 置1 2 分频器。方波发生器输出频率为f 的信号，经过该分频器后可产生频率为 f 去，占空比为严格1 ：1 的的方波信号。 上 该芯片的技术指标稳定性：2 + o 0 3 oc 1 0 0 k h z o 5 + 0 0 3 oc1 0 k h z 天津大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 其工作方式模式如下图所示： r e r i i n a lc o n n e c 们o n so t r r l m to 叮l - p u tp 目r i o o f 汕n c n o n t o v d dt o v s s l n p u t p u l s eo r t o f r o m p u l 8 e 帅口1 h a s t a b l em u l t i v t l 3 r a t o c f r e er u n n i n g 4 ，5 6 。1 7 ，b 9 ，1 2一1 0 , 11 。1 3 a 1 1 0 ， ) 皇4 眵 t r u eg a t i n g 4 6 1 47 。8 。9 ，1 2 5 1 0 。11 1 3t a ( 1 3 ji 1 = 乏约昭 c o r r l l ：) i e m e n tg a t i n g5 1 45 7 。8 t 9 ，1 2 4 1 0 。11 ，1 3 m o n o s t a b l em u l t w i 留a t 饼： p o s i