基于Microwindows的風向風速傳感器研究

陶明明 李金東

摘要：風向風速儀是船舶重要的導航設備之一，能夠對艦船提供相對和真風向風速信息數據，直接影響艦船的航行安全。而風向風速傳感器是氣象設備要素的核心，對風向風速信息采集和測量計算的重要組成部分。該文針對采用超聲波風向風速傳感器技術進行了研究，并利用NI推出的Microwindows圖形系統以及基于Cotex-M0核心的飛思卡爾單片機MKL05Z芯片來模擬并研究實現風向風速傳感器系統。

關鍵詞：風向風速傳感器；Microwindows；MKL05Z；超聲波

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0256-02

Research on Wind Direction and Wind Speed Sensor Based on Microwindows

TAO Ming-ming， LI Jin-dong

（Navy Maritime Security Repair Factory， Qingdao 266071， China）

Abstract：Wind direction and wind speed instrument is one of the important navigation equipment， which can provide relative and true wind speed information data to the ship， which will directly affect the safety of navigation. The wind direction and wind speed sensor is the core of meteorological equipment， which is an important part of the information collection and measurement of wind direction and wind speed. This paper aimed at the ultrasonic wind speed and direction sensor technology for the study， developed by NI Microwindows virtual instrument and the study of wind direction and wind speed sensor system Based on Cotex-M0 core of the fly think of Carl microcontroller MKL05Z chip.

Key words： wind direction and wind speed sensor； Microwindows； MKL05Z； ultrasonic

風向風速環境要素是船舶航行中重要的導航信息，其測量的精準度和穩定度直接關系到艦船航行的安全，并且很多導航設備均需依賴于其提供的信息。風向風速傳感器用于船舶氣象儀，利用儀器的控制和信息交互功能對風向風速進行測量和計算。因此本文設計研究了一種基于超聲波測量的風向風速傳感器系統，不僅能夠獲取風向風速信息，并且還能提供實時操作觀測界面，達到適應艦船智能化裝備的目的。本系統采用了數字信號處理技術，滿足了氣象要素的測量要求。

1 風向風速傳感器原理

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播、受到噪聲干擾小等特點，能夠碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波。本系統主要采用了兩對頻率為120KHz探頭，分別固定安裝于相同距離的東西南北四個方向角上，即在一條線路上對應于其中一個探頭發射，一個探頭用于接收。通過加載在探頭兩端正、逆壓電效應實現高頻聲能和電能之間的相互轉換，從而實現超聲波的發射和接收[1]。

系統采用時差法進行風向風速的計算。超聲風速儀通過風速分量對聲脈沖在固定的路徑上， 兩個相反方向的輸送時間差進行風速測量。本文所研究的超聲波風速風向傳感器利用分別處于東西南北四個方向上的四個超聲波探頭，每對探頭之間間隔相同的距離，并測量超聲波從東發射到西所用的時間tEW，從西發射到東所用的時間tWE。由于超聲波傳感器是固定的，因此超聲波每次的傳輸距離 d是已知的。由于超聲波在靜止空氣中傳播的速度為c值固定，由tEW和 tWE 的差以及 d可以計算出東西方向的風速值vWE；同理可以 測得 tSN和 tNS，進而計算出南北方向的風速值 vNS。vWE 和 vNS 進行矢量合成即為最終的風速值，由 vWE 和vNS 的比值可判斷出風向。探頭之間換算如下：

如圖1所示，1，2為一對收發一體式低功率高頻超聲波換能器，T1為換能器1發射到2的傳輸時間，聲速為c，風速為v，可以得到如下公式：

（1）

（2）

可以推算得到：

（3）

（4）

這種測試方法間接消除了溫度、濕度、大氣壓力對超聲波測風的影響，由（3）、（4）式可以得到風速和聲速。同理利用此方法，可以求得另外坐標軸系中的風矢量，從而可以求出兩個探頭之間的風的相對風速、風向。

為取得真風速真風向，需要進行矢量合成運算，設定風傳感器的指北標志指向船頭方向，以船的航向為Y軸建立坐標系。真風速定義為相對風速和船速的矢量之和，而真風向定義為是真風相對船頭的風向與船的航向之和。

Y = 90 - D

a = S *（ cos Y）

b' = S *（ sin Y）

b = b' - SS

TS =

TD = arctag （b/a） + SH

其中：S 相對風速，D相對風向，TS真風速，TD真風向，SS船的航速，SH船的航向

2 系統硬件設計

系統硬件主要由飛思卡爾基于Cotex-M0架構的MKL05Z單片機和信號處理電路構成[2]。其中信號處理電路將取得的超聲波回波包絡通過放大、濾波轉換為單片機能接收的數字信號，并傳輸入MKL05Z進行數據處理和計算，并將最后的數據傳輸至以Microwindows為平臺的人工交互界面[3]。

放大濾波電路的設計是系統實現微小信號測量的核心，因此本設備采用了OP07放大芯片。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路，具有非常低的輸入失調電壓，所以不需要額外的調零措施[4]。并且OP07同時具有輸入偏置電流低和開環增益高的特點，這種低失調、高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。由于從超聲波傳感器接收到的信號是非常微弱的超聲波信號，因此必須對接收信號進行放大、濾波。通過模擬開關選通的接收信號經一級OP07A運放電路進行放大，放大幅度約為20dB；信號經過放大之后進入濾波電路，濾波的同時也對信號進行二次放大，這次放大的幅度也是約20dB，因此電路總增益為40 dB，放大濾波電路如圖2所示：

由于系統測量的是開始信號和結束信號之間的時間差，要求上升沿盡量的陡，所以必須使用高速比較器。因此，將經過二次放大后的包絡信號經比較器AD790進行電壓比較，輸出數字方波信號。系統采用了高速比較器AD790，最大延遲時間為45納秒，能夠滿足精度要求。

3 系統軟件設計

首先初始化單片機系統，并對控制芯片進行初始化。單片機上電會自動運行處在FLASH存儲器上零地址處所拷貝的異常向量表并執行指令，之后對硬件進行設置并對RAM內存空間進行映射規劃，設置堆棧，然后引導代碼將運行軟件拷貝到RAM空間進行運行[5]。之后軟件接管單片機和信號電路的控制，選通模擬開關，對op07芯片上電控制，并導通控制輸入AD790的比較電壓，等待接收脈沖產生中斷對接收信號進行計數，當計數傳聲中斷溢出將時間信息錄入緩沖區并導入公式計算，每次數據的測量取十組，之后取平均值達到數據均勻變換，消除偶然脈沖誤差。

經過上述對數據的控制處理，利用公式計算得到真風向真風速，通過RS232接口傳輸進入上層Microwindows圖形系統接口進行人機交互[6]。

圖形系統提供了友好的操作界面和控制方式，并提供了完整的工具集和相應的應用程序，可以實現對設備的直觀控制。本文所設計的系統采用了nicrowindows圖形系統與在其之上的TinyWidget控件集。兩者基于X窗口系統，能夠保證在對設備基本操作的基礎之上，占用較少資源，可以提供給用戶良好的界面和方便的操作。

系統采用了服務器與客服端的處理模式。其中底層提供對顯示界面、鼠標、鍵盤等外接控制設備的驅動，通過操作系統可以將數據信息傳遞至應用程序；中間層為一個與設備無關的圖形引擎，其程序常駐內存的服務器端，基于底層驅動之上提供建立線程、圖形繪制、字體與文本的管理等功能；窗口API與控件層利用圖形引擎的功能來進行窗口的管理、設計、發送繪制請求以及對事件的處理，事件處理包括風向風速顯示、溫濕度顯示、參數裝訂功能。程序首先使用GrOpen（）初始化圖形系統Nano-X庫，并且和服務器端的圖形引擎建立連接，同時調用設備驅動初始化顯示儀、鍵盤、鼠標等I/O設備；然后調用GrNewGC創建圖形句柄GC，分配一個圖形上下文的數據結構并建立圖形窗口并設置窗口的各項屬性；在Nano-X中必須告訴窗口哪些事件需要處理，例如是對風向風速的計算或者是對設備的檢測等任務，都使用GrSelectEvevts函數進行事件的注冊與選擇；最后使用GrMapWindow函數顯示窗口并調用GrMainLoop函數讓主程序進入消息處理循環。在事件發生之后，系統每接收到一個消息就會喚醒對應的注冊事件處理函數來對消息進行處理，處理函數為一個switch-case結構的選擇語句，每個事件對應case語句不同的響應與處理。

4 結論

本文介紹了采用超聲波風傳感器測風的原理，分析并利用了風速風向測量的數學模型，利用超低功耗單片機對信號采集電路進行控制測量，并采用高精度低延遲的儀表放大器和有源濾波器對超聲波接收信號進行信號放大濾波，并將信號通過圖形系統進行只管顯示，達到惹急交互目的。通過實驗表明，由于超聲波測量方法屬于無接觸式測量，不破壞風場，并且沒有

機械轉動方式固有的慣性，無啟動風速，測量風速風向的精度很高，具有比傳統的機械式有著明顯的優勢。

參考文獻：

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