采用直接時(shí)差法的無線超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計(jì)

摘要：采用直接時(shí)差法，以TMS320F2812為控制單元控制超聲波的發(fā)射與接收，實(shí)現(xiàn)了超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的設(shè)計(jì)。該超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀利用模擬開關(guān)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，減少了電磁干擾對(duì)電路的影響；利用限幅、放大、正弦脈沖轉(zhuǎn)換的方法設(shè)計(jì)接收電路，減少了A／D轉(zhuǎn)換波動(dòng)對(duì)信號(hào)捕獲以及時(shí)間點(diǎn)判斷的影響。
關(guān)鍵詞：超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀；模擬開關(guān)；正弦轉(zhuǎn)脈沖；TMS320F2812

引言
    常見的風(fēng)杯式、風(fēng)標(biāo)式風(fēng)速風(fēng)向儀因自身機(jī)械結(jié)構(gòu)固有的缺陷，測量低風(fēng)速時(shí)靈敏度不高，并且會(huì)隨使用時(shí)間的增加出現(xiàn)一定程度的老化，在惡劣的工作環(huán)境中測量精度和使用壽命均受到較大影響。
    超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀誕生于20世紀(jì)80年代，意大利GC Aprilesi等人完成了其原理樣機(jī)并驗(yàn)證了功能可能性。隨著多年的研究與發(fā)展，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的精度和可靠性都在不斷提高。目前針對(duì)超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的研究，在超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)接收電路實(shí)現(xiàn)上，都采取了脈沖變壓器升壓產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和A／D采樣接收信號(hào)的方法。脈沖變壓器雖然在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上較為簡單，但是當(dāng)原副線圈匝數(shù)比較大、脈沖信號(hào)頻率較高時(shí)，脈沖變壓器工作時(shí)的噪音、熱損耗和電磁干擾會(huì)相應(yīng)增大，電磁干擾對(duì)超聲波接收電路中信號(hào)處理的影響尤為嚴(yán)重，從而可能影響到最終測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，在接收信號(hào)由A／D芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程中，由于整體電路的電磁干擾，A／D轉(zhuǎn)換值往往有較大波動(dòng)，導(dǎo)致接收時(shí)間點(diǎn)判斷上的較大超前或滯后，這種超前或滯后也會(huì)對(duì)測量結(jié)果的精確性造成較大影響。
    本文針對(duì)脈沖變壓器和A／D采樣電路的不足，設(shè)計(jì)出包含換能器驅(qū)動(dòng)電路、接收信號(hào)及處理電路兩部分的超聲波收發(fā)模塊。采用模擬開關(guān)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方法，在降低噪音和熱損耗的同時(shí)大大降低了電磁干擾對(duì)整個(gè)電路的影響，驅(qū)動(dòng)信號(hào)更為標(biāo)準(zhǔn)并且無需在接收端搭建濾波電路。采用正弦信號(hào)轉(zhuǎn)脈沖電路使得接收時(shí)間點(diǎn)的確定更精確，波動(dòng)更小。

1 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 工作原理
    超聲波在空氣中傳播時(shí)，在順風(fēng)與逆風(fēng)方向均存在速度差。當(dāng)超聲波傳播距離固定時(shí)，該速度差就反映為傳播用時(shí)的時(shí)間差，且該時(shí)間差與待測風(fēng)速之間具有線性關(guān)系。根據(jù)測量、計(jì)算時(shí)差的方法不同，一般分為直接時(shí)差法、頻差法和相位差法。直接時(shí)差法也叫脈沖聲時(shí)法，對(duì)超聲波的收發(fā)時(shí)間直接進(jìn)行測量，從而通過時(shí)間差計(jì)算得出當(dāng)前的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。
    編者注：超聲波測風(fēng)速風(fēng)向原理圖及相應(yīng)公式略。
1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由MCU控制單元、信號(hào)隔離模塊和換能器收發(fā)模塊3個(gè)部分構(gòu)成。MCU控制單元主要完成模擬開關(guān)控制信號(hào)的輸出、計(jì)時(shí)以及核心數(shù)據(jù)處理；信號(hào)隔離模塊主要降低各模塊之間的干擾；換能器收發(fā)模塊主要完成超聲波信號(hào)的產(chǎn)生及接收、處理工作。超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的工作流程如下：MCU每隔20 ms發(fā)出8個(gè)200 kHz脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)隔離模塊隔離后，輸入換能器收發(fā)模塊，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波信號(hào)；換能器收發(fā)模塊接收到超聲波信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，作為換能器收發(fā)模塊回波信號(hào)輸入并轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)隔離模塊隔離后，輸入MCU進(jìn)行處理。

2 收發(fā)電路設(shè)計(jì)
2．1 換能器驅(qū)動(dòng)電路
    由于超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀換能器對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓和頻率的要求，脈沖變壓器在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)出現(xiàn)電磁干擾強(qiáng)、噪音大、熱損耗大等缺點(diǎn)，對(duì)超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀控制電路產(chǎn)生影響。為避免脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路的上述缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種采用模擬開關(guān)的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀換能器驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。圖中，控制波形為8個(gè)脈沖，間隔20 ms；驅(qū)動(dòng)信號(hào)為8個(gè)脈沖。

[!--empirenews.page--]
    圖2中，驅(qū)動(dòng)電路采用MOSFET搭建模擬開關(guān)電路，其門極的門限電壓為3 V。由于MCU(選用TI公司的TMS320F2812)輸出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力不足，故電路中將隔離后的控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力后，再對(duì)MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn)行控制。電路中的Q1為高端MOSFET-P，控制高端100V(由5 V經(jīng)DC-DC電源芯片升壓獲得)信號(hào)；Q2為低端MOSFET-N，控制低端-100V(由5 V經(jīng)DC-DC電源芯片升壓獲得)信號(hào)。電路中，兩個(gè)場效應(yīng)管門極均連接了3個(gè)器件，分別為1個(gè)電阻、1個(gè)電容和1個(gè)穩(wěn)壓管，這3個(gè)器件構(gòu)成了門極電平轉(zhuǎn)換電路，可將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為以MOS FET源極電平為參考的控制信號(hào)。兩個(gè)MOSFET源極均接有1個(gè)680μF大容量電容，該電容作為模擬開關(guān)的輸入電源濾波，起到穩(wěn)定±100V電源工作及平衡電源功率的作用。電路中換能器前端連接有1個(gè)電感和2個(gè)快恢復(fù)二極管，電感的作用是對(duì)換能器進(jìn)行阻抗匹配，使負(fù)載阻抗工作在純電阻模式，提高能量轉(zhuǎn)換效率；二極管的作用是利用其單向?qū)щ娦詫?duì)負(fù)載電流流向進(jìn)行控制，以免發(fā)生能量回流，造成損耗的增大。
    控制信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序示意圖如圖2所示。由于超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀中的換能器需丁作于±100 V、頻率200 kHz的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)下，且單個(gè)換能器不能長時(shí)間連續(xù)工作以免發(fā)熱量過大發(fā)生熔壞，故電路中控制信號(hào)“Conl_A”和“Conl_B”設(shè)定為每20 ms發(fā)出8個(gè)200kHz、占空比50％(不含死區(qū)時(shí)間)的同相位脈沖信號(hào)。為避免兩個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通造成±100V電源短路，再對(duì)兩控制信號(hào)設(shè)定10％占空比的死區(qū)時(shí)間。
2．2 信號(hào)接收及處理電路
    如圖3所示，超聲波信號(hào)的接收及處理電路由限幅電路、放大電路以及正弦脈沖轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，經(jīng)該部分電路處理后的信號(hào)經(jīng)隔離后進(jìn)入MCU進(jìn)行處理。

    由于采用的超聲波換能器為發(fā)射和接收共用，故接收電路的輸入不僅包含換能器的回波信號(hào)，還包含±100 V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于接收信號(hào)中存在±100 V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，需對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行限幅處理，避免高壓信號(hào)對(duì)后級(jí)電路造成危害。限幅電路由1個(gè)10 kΩ電阻和2個(gè)反向并聯(lián)的肖特基二極管(正向?qū)妷簽?．4 V)串聯(lián)而成，可將±100 V信號(hào)限制為±0．4 V；而超聲波換能器回波信號(hào)峰峰值為100 mV左右，限幅電路不會(huì)對(duì)其造成影響。
    放大電路選用2個(gè)2N3904三極管，二者連接構(gòu)成沃爾曼電路，并采用共射極放大的方式進(jìn)行連接，通過電阻R1形成電壓并聯(lián)深度負(fù)反饋，穩(wěn)定電路工作狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)2個(gè)三極管的外圍電路參數(shù)，可使二者工作在合適的Q點(diǎn)，并將換能器回波信號(hào)放大為峰峰值接近5 V的正弦波。此時(shí)由于放大電路為5 V供電，±0．4 V驅(qū)動(dòng)信號(hào)不會(huì)放大至峰峰值5 V以上，故不會(huì)對(duì)后級(jí)電路造成影響。
    正弦脈沖轉(zhuǎn)換電路由1個(gè)兼容CMOS電平的與門、兩個(gè)外圍電阻以及1個(gè)外圍電容構(gòu)成。電阻R2和R3對(duì)+5 V電源進(jìn)行分壓，使輸入的正弦波鉗位在+5 V和Vr(為R3電阻的分壓值)之間，經(jīng)CMOS邏輯與門處理后生成占空比50％的方波。處理后的方波信號(hào)，不僅含有接收信號(hào)也含有被限幅驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過MCU軟件方法對(duì)其進(jìn)行分離。

3 測試及應(yīng)用對(duì)比
    對(duì)采用模擬開關(guān)的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀收發(fā)電路進(jìn)行測試，并與傳統(tǒng)的采用脈沖變壓器的收發(fā)電路進(jìn)行對(duì)比，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)序圖如圖4所示。其中，圖4(c)、圖4(e)分別為圖4(a)中驅(qū)動(dòng)信號(hào)和接收信號(hào)的放大圖；圖4(d)、圖4(f)分別為圖4(b)中驅(qū)動(dòng)信號(hào)和接收信號(hào)的放大圖。[!--empirenews.page--]

    如圖4(a)所示，采用脈沖變壓器的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在較大的脈沖尖峰。這是由脈沖變壓器自身電感等因素造成的，如果脈沖尖峰較大超出換能器耐壓值，將可能會(huì)損壞換能器。同時(shí)，脈沖變壓器產(chǎn)生的電磁干擾造成在接收電路中形成與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步的干擾信號(hào)，并且該干擾信號(hào)始終存在，可能影響MCU對(duì)接收信號(hào)的判斷。將采用脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大，得到圖4(c)，由于脈沖變壓器線圈中的電磁能量不能迅速釋放，即使輸入信號(hào)在8個(gè)脈沖后截止，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的尾部還存在線圈緩慢釋放能量時(shí)產(chǎn)生的振蕩。該振蕩的影響直接在信號(hào)接收端反映出來，如圖4(e)所示，接收到的信號(hào)也是慢慢衰減。
    相比之下，采用由MOSFET搭建的模擬開關(guān)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，其收發(fā)波形更為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定，如圖4(b)、(d)和(f)所示。采用模擬開關(guān)方式的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)無脈沖尖峰，完全由控制信號(hào)控制產(chǎn)生，不存在能量釋放問題，信號(hào)波形平整穩(wěn)定，相應(yīng)的接收信號(hào)波形中不存在圖4(a)中的電磁干擾現(xiàn)象，且無多余振蕩。

結(jié)語
    介紹了一種基于直接時(shí)差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)方法可行，相較于傳統(tǒng)的利用脈沖變壓器和A／D采樣的方式，具有電磁干擾小、收發(fā)信號(hào)波形平穩(wěn)、振蕩小、雜波少的優(yōu)點(diǎn)。