嵌入式風速風向傳感器精度檢測儀

侯云海,董雪芳,劉東東

(長春工業大學 電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012)

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嵌入式風速風向傳感器精度檢測儀

侯云海,董雪芳,劉東東

(長春工業大學 電氣與電子工程學院，吉林 長春 130012)

以ARM9嵌入式微處理器作為核心控制模塊，設計了數據采集硬件以及軟件。在傳感器正常工作狀態下，同時對被測傳感器和標準傳感器的數據進行采集，通過比對偏差來篩選出精度不準的傳感器。

風速風向傳感器；精度檢測；嵌入式系統

0 引 言

據統計，2015年全球風電新增裝機容量為51.1 GW，同比增長53.9%。其中中國風電新增裝機容量為30 500 MW，首次突破3 000 MW大關，達到中國風電新增裝機歷史最高水平，占全球份額的48%。2015年中國風電累計裝機容量為14 536 MW，增速達到近3年最高水平。

伴隨著風電產業迅猛發展，風電場的運維管理需求也在逐漸擴大。風速風向傳感器精度檢測儀主要根據風電場的特殊環境，針對風機上的風速風向傳感器進行設計研發，同時對被測傳感器和標準傳感器進行數據采集，再通過數據比對，篩選出精度較差的被測傳感器，并將結果反饋給風場主控室，及時更換精度不準的傳感器，防止風機因不能精準的偏航校正而導致電量損失等。

1 風速風向精度檢測儀工作原理

風速風向精度檢測儀原理如圖1所示。

圖1 風速風向精度檢測儀原理

將被測風速傳感器與被測風向傳感器以及標準風速風向傳感器在工作狀態下同時接入數據采集系統。采集系統將數據以表格形式存儲在離線U盤中，數據處理系統對離線文件進行處理，對比被測與標準傳感器數據，分析得出被測傳感器的誤差程度，再由檢修維護中心相關人員判定是否更換傳感器。

1.1 風速風向傳感器工作原理

風速風向傳感器為機械轉動式傳感器，感應風機機艙外的空氣流動，對空氣流動速度和方向進行監測及光電轉換，輸出電流或電壓信號，再進行數字量化、時間平均等處理后進行存儲，作為風機偏航調整與葉片角度調整的重要參數[1]。

1.2 風速傳感器的基本原理

以雷奧公司的LE2152金屬風速傳感器為例，對常用型風速傳感器原理進行介紹。傳統的三杯式風速傳感器，三個輕質錐型風杯隨風轉動，在測量范圍內能提供良好的線性輸出。截光盤隨中心軸轉動，每轉動一圈就切割光束一次，光電轉換裝置就會產生一個脈沖。因此，輸出脈沖的速率與風速成正比。然而由于精度要求，需要對啟動慣量和輕微過速進行補償[2]。

傳感器內部的加熱元件使整個軸承在寒冷的天氣下仍能保持不凍結。它一般能提供10 W的加熱功率。在傳感器支架處設一熱動開關，使之在低于4 ℃時啟動加熱裝置。

1.3 風向傳感器的基本原理

風向信號產生來源于風標轉軸，風標轉軸連接一個7位的格雷碼光盤，風標隨風向轉動進而帶動格雷碼光盤轉動。碼盤從內到外依次做21、22、23、24、25、26、27等分，相鄰份依次為透光與不透光，碼盤兩側的同一半徑上連接有7對光電耦合器件，對應輸出7位格雷碼。碼盤上面安裝有一組(7個)紅外發光二極管，下面有一組光電轉換器(7個)，都正對碼盤的7個軌道。隨風向標的轉動，碼盤下面的光電管接收到電碼發生變化，每一個格雷碼代表一個風向，分辨率為5.6°～0.7°。傳感器有格雷碼、電壓、電流3種輸出方式[3]。

同樣，在風向傳感器的內部也裝有內部加熱元件來避免低溫故障。

2 數據采集系統硬件設計

根據風電場運維的環境需要，數據采集系統需要選用小型化、集成化以及具有便攜特點的設計方式，硬件平臺采用基于ARM9的嵌入式系統架構設計，充分利用ARM9片上豐富的外設資源，使系統的體積小、性價比高、集成度高、可靠性好。硬件結構功能包括核心控制器、電源模塊、人機交互模塊、信號處理模塊、傳感器接口等部分[4]，如圖2所示。

2.1 核心控制器

核心控制器選用型號為QT-S3C2410的32位嵌入式RISC微處理器，其主頻可以達到203 MHz，采用5級流水線，片上資源豐富，其中包括帶存儲管理單元MMU、外部存儲控制器(SDRAM)、LCD控制器、4通道的DMA、3通道的UART、2通道的SPI、2通道的USB主機接口和1通道的USB設備接口，以及4通道的PWM定時器和一個內部定時器、Watchdog、GPIO、8通道的10位ADC和觸摸屏接口等，滿足設計需求，并且集成度高，穩定性好，適用于高性能、低功耗的便攜式智能設備、終端以及人機界面等[5]。

2.2 電源管理模塊

外部鉛蓄電池提供5 V直流電壓，通過底板上的低壓差線性電壓源芯片AMS1117-3.3將5 V電壓轉換成3.3 V提供給核心控制器上的SDRAM、FLASH以及CPU的接口和外設使用。AMS1117-1.8再將3.3 V電壓調整為1.8 V供CPU內核使用[6]。

圖2 硬件功能模塊框圖

2.3 人機交互LCD接口

QT-S3C2410可以外接TFT、STN等類型的LCD。本設計選用的信捷TG865-ET顯示屏，該觸摸屏是TFT型透反式液晶顯示屏，TFT作為開關器件，內置垂直水平驅動器，集成四線電阻式觸摸屏和背光電路。通過0.2 mm間距的40 pin插座與主板連接。由于觸摸屏的工作電壓為24 V，需要單獨使用TPS61042將蓄電池5 V電壓升至24 V，完成觸摸屏供電。

2.4 數據采集電路

由于QT-S3C2410沒有提供片內ADC的模擬輸入引腳，因此設計了通用數據采集電路，主要功能模塊包括電平轉換電路、譯碼邏輯單元、8路模擬輸入通道和16位數字I/O通道，結合前向輸入端的信號調理(如限幅、濾波、轉換和隔離等)，就可以采集和處理各類現場模擬信號以及控制開關量的輸入輸出。采集電路如圖3所示。

圖3 采集電路

2.5 傳感器接口

傳感器接口電路用于區分傳感器類型，可以根據輸出信號為電壓、電流或者頻率選擇不同的接口，提高了設備的通用性。另外，由于ADC的參考電壓設置為3.3 V，因此，電流型傳感器需要將輸出的電流信號轉換成電壓信號才能進行A/D轉換。根據設備需要設置4個傳感器接口，分別為標準風速、準風向傳感器接口，被測風速、風向傳感器接口。

2.6 數據存儲

在數據存儲部分，內部FLASH預留出64 K字節用于系統應用，剩余字節用來存儲采集數據，當內部FLASH存滿時自動切換到SDRAM存儲。FLASH和SDRAM的存儲容量決定可以采集到傳感器的數據大小。

3 數據采集系統軟件設計

系統的軟件系統包括終端主控軟件以及離線數據處理軟件兩部分。終端主控軟件運行于嵌入式硬件平臺，完成現場的采集工作及數據存儲工作。離線數據處理軟件的主要功能是轉換采集數據格式，并對數據進行分析計算，得出被測傳感器的性能參數。

3.1 終端主控軟件

選擇Windows-CE操作系統，基于ST公司的CMSIS標準軟件架構，主要設置QT-S3C2410啟動、A/D數據采集、數據處理、數字I/O、LCD顯示和觸摸屏控制程序[7]。

其中，S3C2410X啟動程序完成系統上電或復位后的一些初始化工作。A/D數據采集程序通過AD7892完成對模擬輸入信號的連續采集和定時采集，對采集數據可進行濾波、時域參數檢測及頻譜分析等處理操作。數字I/O程序實現對16位數字量進行輸入/輸出控制。LCD顯示程序負責信號波形及各項時域參數檢測結果的實時顯示。觸摸屏控制程序可實現一些簡單的人機交互功能。

3.2 離線數據處理軟件

離線數據處理軟件是安裝在PC機上，對采集到的數據進行分析計算單獨設計開發的軟件，其數據格式轉換是指完成對傳感器采樣數據進行信息提取、數據分類以及打包存儲的數據分析功能[8]。

4 數據分析

在采集前端，數據的采樣頻率為每秒采集一次，采集的數據以CSV表格形式存儲，可以在PC機上直接用EXCEL表格打開，數據具有很高的可讀性。

分析軟件對風速的采樣數據分析原理是：將標準風速從小到大排序，并取得同一采樣周期內與被測風速的差值絕對值，然后取每0.2 m/s步長內差值的平均值，并繪出表格。風速測量偏差圖如圖4所示。

圖4 風速測量偏差圖

由此可知，曲線的幅值越大，則被測傳感器的精度越差。實驗結果中曲線2所代表的風速傳感器精度大于0.5 m/s風速時，精度均較差。

風向采樣數據的分析原理：將標準風速從小到大排序，取同一個采樣周期內的標準風向與被測風向的差值絕對值，值得注意的是當差值大于180°時，取360°減去差值絕對值的結果。然后取0.2 m/s步長內的平均值，并繪出表格。數據分析結果如圖5所示。

圖5 風向偏差圖

在風速較小時，兩被測風向傳感器的精度均較差，這可能是由于風速過小時，風向傳感器由于慣性滯留停止位引起的，而在風速大于3.8 m/s時，曲線1所代表的風向傳感器精度越來越高，曲線2代表的風向傳感器精度隨風速的增大而降低。

風電場的運維專業人員可以根據分析結果對傳感器的性能做出評價，做出繼續使用或者更換的決定。

5 結 語

風速風向傳感器精度檢測儀的設計滿足了通用性強、低功耗、便攜可靠的應用需求。設計的基于嵌入式系統的數據采集模塊具有高性價比、應用范圍廣的特點，配合同步開發的PC數據分析軟件，不僅可以應用于風電運維，在氣象監測等領域也有廣泛應用。另外，對電源的設計還可以增加光伏電池模塊，適應野外操作。

[1] 林錦實.傳感器與檢測技術[M].北京:機械工業出版社,2012.

[2] 王國峰,趙永生,范云生.風速風向測量誤差補償算法的研究[J].儀器儀表學報,2013,34(4):786-790.

[3] 陳梅,洪飛,李鑫.風速風向傳感器在風機控制中的應用與研究[J].自動化技術與應用，2008,27(4):38-39.

[4] 胡祥超，李艷潔，趙新華.便攜式野外傳感器原位數據采集系統設計[J].傳感器與微系統，2014，33(10):69-72.

[5] 陳鼐.基于ARM的嵌入式數據采集與處理系統[D].南京：南京航空航天大學,2007.

[6] 侯云海,張洪偉.光伏發電逆變器的高頻變壓器[J].長春工業大學學報，2015,36(2):158-162.

[7] 胡軍山.基于ARM和WinCE的軟件構件化研究與開發[D].無錫:江南大學,2009.

[8] 曾青石,張像源,陳輝.基于3S技術的地質災害野外調查數字采集系統的研究[J].水文地質工程地質，2008(1):25-28.

Embedded wind speed & direction sensor precision detector

HOU Yunhai,DONG Xuefang,LIU Dongdong

(School of Electrical & Electronic Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012，China)

Taking ARM9 embedded microprocessor as the core controller,we design both the hardware and software for the data acquisition. As the sensors work normally,data are sampled from both the measured and the standard sensor simultaneously for filtering out the defective sensorswith the deviation.

wind speed and direction sensor；precision detecting；embedded system.

2016-04-21

吉林省教育廳基金資助項目(吉教科合字[2015]第055號)

侯云海(1970-)，男，漢族，吉林永吉人，長春工業大學教授，博士，主要從事電力變換與節能技術方向研究,E-mail:houyunhai@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.5.10

TN 919.5

A

1674-1374(2016)05-0465-05