摘要：采用直接時差法，以TMS320F2812為控制單元控制超聲波的發(fā)射與接收，實現(xiàn)了超聲波風速風向儀的設計。該超聲波風速風向儀利用模擬開關設計驅(qū)動電路，減少了電磁干擾對電路的影響；利用限幅、放大、正弦脈沖轉(zhuǎn)換的方法設計接收電路，減少了A／D轉(zhuǎn)換波動對信號捕獲以及時間點判斷的影響。
關鍵詞：超聲波風速風向儀；模擬開關；正弦轉(zhuǎn)脈沖；TMS320F2812

引言
    常見的風杯式、風標式風速風向儀因自身機械結(jié)構(gòu)固有的缺陷，測量低風速時靈敏度不高，并且會隨使用時間的增加出現(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。
    超聲波風速風向儀誕生于20世紀80年代，意大利GC Aprilesi等人完成了其原理樣機并驗證了功能可能性。隨著多年的研究與發(fā)展，超聲波風速風向儀的精度和可靠性都在不斷提高。目前針對超聲波風速風向儀的研究，在超聲波換能器的驅(qū)動電路和信號接收電路實現(xiàn)上，都采取了脈沖變壓器升壓產(chǎn)生驅(qū)動信號和A／D采樣接收信號的方法。脈沖變壓器雖然在設計和實現(xiàn)上較為簡單，但是當原副線圈匝數(shù)比較大、脈沖信號頻率較高時，脈沖變壓器工作時的噪音、熱損耗和電磁干擾會相應增大，電磁干擾對超聲波接收電路中信號處理的影響尤為嚴重，從而可能影響到最終測量結(jié)果的準確性。另外，在接收信號由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，導致接收時間點判斷上的較大超前或滯后，這種超前或滯后也會對測量結(jié)果的精確性造成較大影響。
    本文針對脈沖變壓器和A／D采樣電路的不足，設計出包含換能器驅(qū)動電路、接收信號及處理電路兩部分的超聲波收發(fā)模塊。采用模擬開關電路產(chǎn)生驅(qū)動信號的方法，在降低噪音和熱損耗的同時大大降低了電磁干擾對整個電路的影響，驅(qū)動信號更為標準并且無需在接收端搭建濾波電路。采用正弦信號轉(zhuǎn)脈沖電路使得接收時間點的確定更精確，波動更小。

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，在順風與逆風方向均存在速度差。當超聲波傳播距離固定時，該速度差就反映為傳播用時的時間差，且該時間差與待測風速之間具有線性關系。根據(jù)測量、計算時差的方法不同，一般分為直接時差法、頻差法和相位差法。直接時差法也叫脈沖聲時法，對超聲波的收發(fā)時間直接進行測量，從而通過時間差計算得出當前的風速風向數(shù)據(jù)。
    編者注：超聲波測風速風向原理圖及相應公式略。
1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，超聲波風速風向儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由MCU控制單元、信號隔離模塊和換能器收發(fā)模塊3個部分構(gòu)成。MCU控制單元主要完成模擬開關控制信號的輸出、計時以及核心數(shù)據(jù)處理；信號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的產(chǎn)生及接收、處理工作。超聲波風速風向儀的工作流程如下：MCU每隔20 ms發(fā)出8個200 kHz脈沖信號，經(jīng)信號隔離模塊隔離后，輸入換能器收發(fā)模塊，驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波信號；換能器收發(fā)模塊接收到超聲波信號并轉(zhuǎn)換為電信號，作為換能器收發(fā)模塊回波信號輸入并轉(zhuǎn)換為方波信號，經(jīng)信號隔離模塊隔離后，輸入MCU進行處理。

2 收發(fā)電路設計
2．1 換能器驅(qū)動電路
    由于超聲波風速風向儀換能器對驅(qū)動信號電壓和頻率的要求，脈沖變壓器在實際應用中將會出現(xiàn)電磁干擾強、噪音大、熱損耗大等缺點，對超聲波風速風向儀控制電路產(chǎn)生影響。為避免脈沖變壓器驅(qū)動電路的上述缺點，設計一種采用模擬開關的超聲波風速風向儀換能器驅(qū)動電路，如圖2所示。圖中，控制波形為8個脈沖，間隔20 ms；驅(qū)動信號為8個脈沖。

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    圖2中，驅(qū)動電路采用MOSFET搭建模擬開關電路，其門極的門限電壓為3 V。由于MCU(選用TI公司的TMS320F2812)輸出的控制信號驅(qū)動能力不足，故電路中將隔離后的控制信號通過驅(qū)動電路增強驅(qū)動能力后，再對MOSFET的導通與關斷進行控制。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；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。電路中，兩個場效應管門極均連接了3個器件，分別為1個電阻、1個電容和1個穩(wěn)壓管，這3個器件構(gòu)成了門極電平轉(zhuǎn)換電路，可將控制信號轉(zhuǎn)換為以MOS FET源極電平為參考的控制信號。兩個MOSFET源極均接有1個680μF大容量電容，該電容作為模擬開關的輸入電源濾波，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個電感和2個快恢復二極管，電感的作用是對換能器進行阻抗匹配，使負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ω撦d電流流向進行控制，以免發(fā)生能量回流，造成損耗的增大。
    控制信號以及驅(qū)動信號的時序示意圖如圖2所示。由于超聲波風速風向儀中的換能器需丁作于±100 V、頻率200 kHz的方波驅(qū)動信號下，且單個換能器不能長時間連續(xù)工作以免發(fā)熱量過大發(fā)生熔壞，故電路中控制信號“Conl_A”和“Conl_B”設定為每20 ms發(fā)出8個200kHz、占空比50％(不含死區(qū)時間)的同相位脈沖信號。為避免兩個MOSFET同時導通造成±100V電源短路，再對兩控制信號設定10％占空比的死區(qū)時間。
2．2 信號接收及處理電路
    如圖3所示，超聲波信號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經(jīng)隔離后進入MCU進行處理。

    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，還包含±100 V的驅(qū)動信號。由于接收信號中存在±100 V的驅(qū)動信號，需對接收信號進行限幅處理，避免高壓信號對后級電路造成危害。限幅電路由1個10 kΩ電阻和2個反向并聯(lián)的肖特基二極管(正向?qū)妷簽?．4 V)串聯(lián)而成，可將±100 V信號限制為±0．4 V；而超聲波換能器回波信號峰峰值為100 mV左右，限幅電路不會對其造成影響。
    放大電路選用2個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行連接，通過電阻R1形成電壓并聯(lián)深度負反饋，穩(wěn)定電路工作狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)2個三極管的外圍電路參數(shù)，可使二者工作在合適的Q點，并將換能器回波信號放大為峰峰值接近5 V的正弦波。此時由于放大電路為5 V供電，±0．4 V驅(qū)動信號不會放大至峰峰值5 V以上，故不會對后級電路造成影響。
    正弦脈沖轉(zhuǎn)換電路由1個兼容CMOS電平的與門、兩個外圍電阻以及1個外圍電容構(gòu)成。電阻R2和R3對+5 V電源進行分壓，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，不僅含有接收信號也含有被限幅驅(qū)動信號，通過MCU軟件方法對其進行分離。

3 測試及應用對比
    對采用模擬開關的超聲波風速風向儀收發(fā)電路進行測試，并與傳統(tǒng)的采用脈沖變壓器的收發(fā)電路進行對比，其驅(qū)動信號與接收信號的時序圖如圖4所示。其中，圖4(c)、圖4(e)分別為圖4(a)中驅(qū)動信號和接收信號的放大圖；圖4(d)、圖4(f)分別為圖4(b)中驅(qū)動信號和接收信號的放大圖。[!--empirenews.page--]

    如圖4(a)所示，采用脈沖變壓器的超聲波風速風向儀驅(qū)動信號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，將可能會損壞換能器。同時，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)動信號同步的干擾信號，并且該干擾信號始終存在，可能影響MCU對接收信號的判斷。將采用脈沖變壓器驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號放大，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，即使輸入信號在8個脈沖后截止，驅(qū)動信號的尾部還存在線圈緩慢釋放能量時產(chǎn)生的振蕩。該振蕩的影響直接在信號接收端反映出來，如圖4(e)所示，接收到的信號也是慢慢衰減。
    相比之下，采用由MOSFET搭建的模擬開關構(gòu)成的驅(qū)動電路，其收發(fā)波形更為標準穩(wěn)定，如圖4(b)、(d)和(f)所示。采用模擬開關方式的驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號無脈沖尖峰，完全由控制信號控制產(chǎn)生，不存在能量釋放問題，信號波形平整穩(wěn)定，相應的接收信號波形中不存在圖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差法的超聲波風速風向儀的設計方法。實踐證明，該設計方法可行，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)信號波形平穩(wěn)、振蕩小、雜波少的優(yōu)點。