超声波时差法与TDCGP21的风速风向传感器设计.pdf

5 6 M i c r o c o n t r o l l e r s 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室; 3.北京市煤矿安全工程技术研究中心 * 基金项目 矿用典型设备全生命周期管理系统 2 0 1 8 C X 0 8 。 摘要 本文介绍了超声波时差法测量风速的基本原理及T D C G P 2 1测量时间间隔的原理, 详细描述了基于T D C G P 2 1和S TM 3 2 F 1 0 3微控制器的风速传感器的工作原理、 硬件电路设计及软件流程。实验结果表明, 本文设计的风速 风向传感器在测量风速及风向方面均具有较高的准确度。 关键词 T D C G P 2 1;S TM 3 2 F 1 0 3; 时差法; 超声波 中图分类号 T P 2 3 文献标识码 A D e s i g n o f W i n d S p e e d a n d D i r e c t i o n S e n s o r B a s e d o n U l t r a s o n i c T i m e - d i f f e r e n c e M e t h o d a n d T D C - G P 2 1 F e n g Y i n g 1,2,3, Z h a n g D e s h e n g 1,2,3 1. C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a;2. S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l M i n i n g a n d C l e a n U t i l i z a t i o n; 3. R e s e a r c h C e n t e r o f M i n e S a f e t y E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y A b s t r a c t I n t h e p a p e r,t h e b a s i c p r i n c i p l e o f t h e u l t r a s o n i c t i m e - d i f f e r e n c e m e t h o d a n d t h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f T D C - G P 2 1,a n d t h e d e - s i g n p r i n c i p l e,h a r d w a r e c i r c u i t a n d s o f t w a r e f l o w o f t h e w i n d s p e e d s e n s o r b a s e d o n T D C - G P 2 1 a n d S TM 3 2 F 1 0 3 m i c r o - c o n t r o l l e r a r e i n - t r o d u c e d . T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s e n s o r h a s h i g h m e a s u r e m e n t a c c u r a c y a n d c a n a c c u r a t e l y j u d g e t h e w i n d d i r e c t i o n . K e y w o r d s T D C - G P 2 1;S TM 3 2 F 1 0 3;t i m e - d i f f e r e n c e;u l t r a s o n i c 引 言 目前, 煤矿巷道风速的测量方式一般为差压式、 超声 波涡街式或机械风杯式, 但这几种风速测量方法只能测量 出风速的大小和粗略判断风向是正向还是反向, 无法具体 判断风向。同时, 由于安装误差或者长期使用后传感器安 装位置发生变动, 使得风速传感器在煤矿巷道内的测量方 向与风流方向不一致 [1 - 2], 从而导致风速测量不准确。因 此, 在测量风速的同时准确判断风流风向, 有助于提高风 速测量精度, 本文采用超声波时差法实现风速和风向的同 时测量。时差法是通过超声波顺风和逆风传输时间差来 间接测量风速的大小和方向, 因而风速风向测量的准确性 取决于传输时间的测量。本文采用德国A C AM研发的 T D C G P 2 1芯片可实现皮秒级别的微小时间间隔测量 [3]。 1 超声波时差法原理 在空气中传播时, 超声波的速度会和风流速度相叠加, 若其传播方向与风流方向一致, 传播速度会变快; 反之, 速 度会变慢。当超声波在空气中顺风和逆风传播相同的距离 时, 传播时间存在差异, 而该差异与风流的速度有关 [4]。 图1 超声波时差法测量风速原理 超声波时差法测量 风 速 原 理 如 图1 所 示, A、B为一组收发一体的 超声波换能器。设在静 止的空气中, 超声波的速 度为C, 设被测风流速度为v, 风流风向如图所示, 超声波从 A到B的传播时间为tA B, 从B到A的传播时间为tB A。 由几何关系可知 tA B L Cv 1 tB A L C-v 2 所以 v L 2 1 tA B - 1 tB A 3 采用两组相互垂直安装的超声波换能器, 实现在测得 风速值的同时测得风向 [5], 超声波时差法二维空间测风原 理如图2所示。 敬请登录网站在线投稿 t o u g a o . m e s n e t . c o m. c n 2 0 2 0年第6期 5 7 图2 超声波时差法二维空间测风原理 换能器A和B在x轴方向上,C和D在y轴方向上, 它们之间的距离均为L, 超声波从A到B的传输时间为 tA B, 从B到A的传播时间为tB A; 超声波从C到D的传输 时间为t C D, 从D到C的传输时间为tD C, 根据式3 可得 vx L 2 1 tA B - 1 tB A 4 vy L 2 1 tC D - 1 tD C 5 则风速 v v 2 xv 2 y L 2 1 tA B - 1 tB A 2 1 tC D - 1 tD C 2 6 设x轴正方向为0 , 角度沿逆时针方向旋转为增大, 那么风向θ为 θa r c c o s | 1 tA B - 1 tB A| 1 tA B - 1 tB A 2 1 tC D - 1 tD C 2 7 2 时间差测量 由超声波时差法测风原理可知, 应用的关键是有效测 量微小时间差, 为实现准确的风速测量, 本设计应用了 T D C G P 2 1实现高分辨率时间差的测量。T D CG P 2 1 主要架构如图3所示 [5 - 6]。 图3 测量绝对时间T D C的主要架构 测量过程以T D C产生S t a r t信号开始, 接收到S t o p 信号截止。整个测量过程共记录三种数据到寄存器中 ①S t a r t信号到 相 邻 基 准 时 钟 的 时 间 间 隔f i n e c o u n t s 1 ;②S t o p信号到相邻基准时钟的时间间隔f i n e c o u n t s 2 ;③基 准 时 钟 的 周 期 数 c o a r s ec o u n t [6 - 7]。T D C G P 2 1测量时间间隔原理图如图4所示 [6 - 7]。 图4 T D C G P 2 1测量时间间隔原理图 由于温度和电压发生变化时, 门电路的传播延迟时间 也会随之发生变化, 因此在测量过程中需要进行校准 [6]。 在校准期间,T D C测量一个和两个基准时钟周期[ 6]。加 入校准后,T D C芯片测量时间的计算公式为[ 6 - 7] R E S_Xc cf c 1-f c 2 / c a l 2-c a l 1 8 T i m eR E S_XTr e f2 C l k H S D i v 9 式 中,Tr e f为 基 准 时 钟 的 周 期,T i m e为 测 量 时 间, c a l 1、c a l 2为 校 准 时 钟 周 期,C l k H S D i v为 基 准 时 钟 分 频 因数 [6]。 3 风速测量实现方案 3 . 1 硬件部分设计 选用S TM 3 2 F 1 0 3系列单片机作为微控制器, 与在液 体中传输 相 比, 超 声 波 在 空 气 中 衰 减 相 对 较 大,T D C G P 2 1内部产生的脉冲信号需要先进行功率放大, 再进入 换能器。同时, 由于接收换能器接收到的超声波信号幅值 非常小, 且通常伴随有干扰信号, 在送入T D C G P 2 1进 行检测之前需先进入信号调理电路完成对信号的滤波和 放大 [8]。硬件原理框图如图5所示。 图5 硬件原理框图 T D C G P 2 1工作时需要连接两个晶振 一个4 MH z 的高速时钟进行校准用 [6]; 一个3 2 k H z的基准时钟控制 高速时钟和进行时钟校准用 [6]。T D C G P 2 1与单片机的 通信方式为四线制的S P I总线,I N T为中断标志, 当计时 满足条件时, 向单片机发送中断信号。T D C G P 2 1的外 围电路连接如图6所示。 5 8 M i c r o c o n t r o l l e r s ②T D CG P 2 1接收到S t o p信号后, 计时模块停止计时; ③当微 控 制 器 接 收 到 中 断 信 号 后, 通 过S P I总 线 读 取 T D C G P 2 1寄存器中的数据, 并通过式8 和式9 计算出 超声波从A到B的传播时间;④微控制器控制T D C G P 2 1 产生脉冲信号, 经过功率放大电路后, 驱动换能器B发射 超声波, 同理可以得到超声波从B到A的传播时间。 根据式 4 和式5 , 可得出x轴上的风速值Vx。重复 上述步骤①④, 可得到y轴方向上的风速值V y, 根据 式 6 和式7 求得V与θ。软件流程图如图7所示。 4 实验结果分析 为了验证本设计的可行性, 实验中采用三维超 声波风速仪 英国G I L L公司研发 作为标准风速仪。 该风速仪的风速测量范围为05 0 m/s, 测量精度可 达1RM S; 角度测量范围为0 3 5 9 , 测量精度达 2 。选取02 0 m/s段进行对比实验, 记录同等实 验条 件 下 两 种 仪 器 的 测 量 结 果, 实 验 数 据 如 表1 所列。 图7 软件流程图 表1 风速测量实验数据对比 超声波传播时间/n s ta btb atc dtd c 风速/ ms -1 三维超声波 风速仪/ ms -1 误差绝对值 5 8 8 2 0 9. 9 95 8 8 2 6 0. 6 05 8 8 2 1 1. 7 05 8 8 2 5 8. 8 90. 0 20. 0 10. 0 1 5 8 6 9 6 0. 0 95 8 9 5 1 6. 0 55 8 7 0 4 5. 9 85 8 9 4 2 9. 4 41. 0 10. 9 60. 0 5 5 8 4 4 0 1. 2 35 9 2 1 2 0. 0 05 8 4 6 5 8. 4 05 9 1 8 5 6. 2 33. 0 53. 0 00. 0 5 5 8 0 7 5 2. 4 55 9 5 9 1 3. 4 85 8 1 2 5 1. 4 45 9 5 3 8 9. 0 25. 9 96. 0 50. 0 6 5 7 8 2 2 2. 8 65 9 8 6 0 0. 5 95 7 8 8 8 7. 8 15 9 7 8 8 9. 6 18. 0 57. 9 70. 0 8 5 7 3 3 1 3. 3 36 0 3 9 5 4. 7 85 7 4 2 9 6. 4 86 0 2 8 6 7. 5 61 2. 1 01 2. 0 00. 1 0 5 6 9 7 3 0. 0 66 0 7 9 8 3. 0 15 7 0 9 4 2. 1 76 0 6 6 0 8. 7 11 5. 1 01 4. 9 40. 1 6 5 6 3 9 9 6. 0 06 1 4 6 5 1. 6 65 6 5 5 6 8. 7 56 1 2 7 9 4. 5 31 9. 9 81 9. 8 30. 1 5 由表1中的实验室数据可知, 传感器风速测量的最大 基本误差为0. 1 6 m/s, 满足行标对于超声波风速传感器 基本误差不大于0. 3 m/s的要求。 以x轴正方向为0 , 角度按逆时针方向增大, 将进风 方向对准两种仪器的0 、4 5 、9 0 、1 3 5 、1 8 0 、2 2 5 、2 7 0 、 3 1 5 , 记录本设计风速仪的角度测量值, 测量误差 6 2 6 2 M i c r o c o n t r o l l e r s 韦福鹤 硕士研究生 , 主要研究方向为通信技术; 刘守印 教 授 , 主要研究方向为通信系统及物联网。 责任编辑 薛士然 收稿日期2 0 2 0 - 0 2 - 2 5 5 8 为5 , 由此可见, 本设计可准确判断风流方向。 结 语 通过对超声波时差法风速测量原理的研究, 该方法的 关键在于提高超声波在空气中传播时间的测量分辨率。 本设计采用皮秒级芯片T D C G P 2 1对超声波传播时间 进行测量, 在简化硬件电路的同时实现了风速的测量。实验 结果表明T D C G P 2 1可实现高分辨率时间间隔测量; M T 4 4 8 2 0 0 8矿用风速传感器 中对于超声波式风速传感 器基本误差的要求为0 . 3 m/s, 本设计的最大基本误差为 0 . 1 6 m/s, 满足该行业标准; 本设计满足3 6 0 风向测量。 参考文献 [ 1] 周川云, 黄强, 张明明, 等.超声波时差法检测技术在煤矿风速 测量中的应用[ J].矿业安全与环保,2 0 1 8,4 53 4 2 4 5,5 0 . [ 2] 刘丽丽.煤矿用超声波式风速风向传感器设计[J].工矿自动 化, 2 0 1 4,4 09 1 0 3 1 0 6. [ 3] 杨亚, 王让定, 姚灵. T D C G P 2 1在时差法超声波流量计中 的应用[ J].微电子学与计算机,2 0 1 3,3 03 1 1 8 1 2 1. [ 4] 冉霞, 游青山.基于时差法的矿用超声波风速传感器[J].煤 矿安全, 2 0 1 5,4 67 1 1 6 1 1 9. [ 5] 马晓明.超声波检测风速风向的三种方法[J].电子世界, 2 0 1 46 2 2 5 2 2 6. [ 6] A C AM C o r p o r a t i o n . T D C G P 2 1 D a t a s h e e t,2 0 1 0. [ 7] 李红娟.基于T D C G P 2 1芯片的超声波流量计设计及实现 [D].银川 宁夏大学, 2 0 1 4. [ 8] 高岩峰.基于T D C G P 2 2与相关法高精度超声波流量计的 研制[D].杭州 中国计量大学, 2 0 1 6. 丰颖, 主要从事传感器研发工作; 张德胜, 主要从事光电检测、 煤矿 应急救援研究工作。 责任编辑 薛士然 收稿日期2 0 2 0 - 0 2 - 2 5