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[導(dǎo)讀]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

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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)風(fēng)速之間具有線性關(guān)系。根據(jù)測(cè)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(cè)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(cè)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。

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    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(chǎng)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(cè)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(cè)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)。

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