基于STM32的超声波风速低采样检测技术_但强.pdf

2023 年第 5 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No 5基金项目:天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(2021TDZD009)收稿日期:20221022基于 STM32 的超声波风速低采样检测技术但强(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039)摘要:为实现风速传感器的高精度、低成本、低功耗等特性，基于超声时差原理提出一种低采样率的超声波双向风速检测方法。以 STM32 为核心，外围器件少，成本低，通过低速率采样方式实现了超声波信号波峰幅值及过零点时间采集，采用可变阈值算法完成超声波飞行时间的快速计算，基于电源管理及休眠技术实现整机低功耗。同时介绍了硬件电路设计，并通过高精度音速喷嘴装置检验了原型机性能，在 23 m/s 风速范围内，精度可达到 0 15 m/s，相对不确定度约为 0 3%。关键词:超声波;风速检测;低采样;低成本;低功耗;STM32中图分类号:TH865文献标识码:A文章编号:10021841(2023)05005905Low Sampling ate Detection Technology of Ultrasonic WindMeasurement Based on STM32DAN Qiang(China Coal Technology Engineering Group Chongqing esearch Institute，Chongqing 400039，China)Abstract:In order to obtain high precision，cost effectivity，low power and other characteristics of wind sensor，a low sam-pling rate design of ultrasonic wind measurement was proposed based on time-difference method The design employed STM32 mi-crocontroller as the core Its cost was low due to the fewer peripherals The peak value and zero-crossing time of ultrasonic signalwere obtained with low sampling rate The transit time of ultrasonic was calculated rapidly with variable threshold method And thelow power of module was realized based on power management technology and sleep technology In addition，the hardware electri-cal design was also introduced The performance of prototype was verified by high precision gas flow equipment The results showthat the accuracy can reach 0 15 m/s and the relative uncertainty is about 0 3%in the wind speed range of 23 m/sKeywords:ultrasonic;wind speed measurement;low sampling rate;low cost;low power;STM320引言伴随着半导体技术及超声波换能器技术的发展，基于超声波时差原理的气体流速仪器仪表广泛应用于气象、风电、通风系统监测、精准计量等领域1。相较于机械式、差压式风速仪，它具有测量下限低、宽量程、精度高、线性度好等优点，与热线热膜风速仪相比，其受环境温度、杂质等因素影响小，因此该技术在风速风向领域应用前景广阔。超声波时差原理可细分为时差法、相差法及频差法，相差法相对简单，但需要保证信号相移在一个超声波周期内，测量范围较为小23，而频差法测量精度较低，测量周期较长，因此这 2 种方法实际应用较少4，绝多数超声波风速产品采用时差法。当前主要采用 FPGA56 和 AM 核心3，78 进行超声波风速测量系统设计，基于 FPGA 的系统多用于高速采集或运算量较大的应用中，功耗相对较高，而低功耗应用多采用 AM 设计，目前超声波飞行时间检测主要采用固定阈值法，测量稳定性较差;此外，也有多芯片结合的设计方式，例如文献 910采用了AM 和 CPLD 芯片，由 CPLD 负责超声波信号的驱动与接收，AM 负责数据处理及通讯，文献 1112也提出一种基于单片机和 MS1022 时间测量芯片结合的低成本设计。本文基于 STM32 提出一种低速率采样的双向风速检测模组的设计方法，设计模组不借助高速 ADC 及时间转换芯片等辅助芯片，仅利用内部计时器及 ADC 资源完成超声波信号的低速率无失真采样，通过调整测量频率和休眠时间可优化整机功耗，该方法具有低成本、低功耗的特点，可满足电池供电或在线实时监测等应用场景的双向测风需求。1基于超声波时差法的风速测量原理超声波时差法通过测量超声波顺、逆流飞行时间60Instrument Technique and SensorMay 2023推算出风速值，图 1 为风速测量示意图。A、B 是收发一体超声波换能器，设定 A、B 换能器连线间距为 L，风速为 v，风速方向与换能器连线方向夹角为，介质声音传播速度为 c，顺逆流超声波飞行时间分别为 t1、t2，其中 L、为已知固定值，t1、t2为测量值。图 1超声波时差法基本原理超声波换能器 A、B 交替作为发射端及接收端，超声波飞行时间为 t1具有以下关系L=(c+vcos)t1L=(cvcos)t2(1)消除式(1)中声速影响因子 c，可得v=Lt2t1t2cost=t2t1(2)由式(2)可知，当环境温度、压力及介质密度、成分造成介质声速 c 改变时，风速 v 不受影响。2低速率采样的双向超声波风速检测模组设计原理本文设计的双向 超 声 波 风 速 检 测 模 组 选 用STM32F103C8T6 作为 MCU 控制器，外围电路无 FP-GA、CPLD 等逻辑控制器及外置 ADC 采集芯片，设计成本低。图 2 为模组硬件系统设计原理，控制器通过控制发射通道选择单元，将调制驱动信号送至驱动电路完成对超声波换能器的驱动，致其发射声波，保护电路对接收信号进行限幅，防止换能器驱动时对接收电路的损伤;控制器控制接收通道选择单元将信号送至调理及过零比较电路，实现对信号的滤波、放大、峰值保持、过零比较等功能，最终由控制器完成对信号的过零时刻及信号波峰幅值采样;基于“电源管理技术”仅在需要的时刻开启发射电路、信号接收电路的电源，实现了传感器的低功耗;模组基于控制器的UAT 接口实现与外部的信息交互。检测模组无外置高速 ADC 芯片，采用 STM32 内部 ADC 实现信号幅值采样，其频率与超声波频率一致，技术实现原理如图 3、图 4 所示。超声波信号先经由带通滤波和信号放大电路进行信号调理，滞回比较器设置阈值为 0 40 8 V，可过滤掉噪声干扰，实现仅在超声波信号窗口输出脉冲信号，脉冲信号的下降沿作为触发信号;峰值保持电路在超声波信号到达前完图 2双向超声波风速检测模组硬件系统框架成复位，之后将保持信号的最大值;过零比较器将信号转换为脉冲信号，信号的每个下降沿被计数器采集，并暂存于 STM32 计时器外设的寄存器中。通过内部逻辑配置，STM32 一旦触发即可完成 1 次 ADC 采样及过零时刻采集，使用 DMA 控制器将数据缓存至“数据缓存区”。采样完成后，缓存区内包含超声波峰值数组 V1，V2Vn 以及与之对应的信号过零时刻数组 t1，t2tn，由于峰值保持电路只能获取当前信号的最大值，因此峰值数值仅包含信号包络线前段上升趋势信号，例如图 4 中 Vj=V4(j4)。图 3低速率采样硬件原理图 4低速率采样逻辑原理目前超声波测速仪多采用阈值法确定超声波的飞行时间，阈值法可分为固定阈值法及可变阈值法，固定阈值法将超声波信号转换为脉冲信号，设定第一个脉冲或特定脉冲作为信号特征点3，7，13，由于干扰信号或风场扰动，该方法容易在到达时间出现的周期性误差14。本模组基于可变阈值法获取超声波飞行时间，可有效消除干扰引起的周期性误差15。单位阈第 5 期但强:基于 STM32 的超声波风速低采样检测技术61值设定为 Vth(0Vth1)，获取 V1，V2Vn 数组中最大值 Vmax，可变阈值线为 VthVmax，一旦信号峰值高于阈值线即认定为信号的特征点，信号的飞行时间 t 可由以下公式计算得到Vk1VthVmaxVkVthVmaxt=tk3T(3)式中 T 为超声波信号周期。3超声波风速检测模组硬件电路设计3 1超声波换能器驱动电路模组采用如图 5 所示单极性变压器驱动电路，驱动电源为 9 V，超声波换能器驱动信号为脉冲信号，其频率与超声波换能器频率一致。电路通过匝数比为1 10 的变压器将驱动电压升至约 80 V，1为变压器原边限流电阻，其阻值小于 10，由于超声波换能器通常为容性元件，储能电容 C1能够在开关管 S1导通瞬间提供一定能量，肖特基二极管 D1、D2可以防止超声波换能器在接收状态下接入驱动回路，则驱动电路不会成为换能器负载而降低接收信号的幅值。图 5超声波换能器驱动电路3 2保护电路由于超声波换能器为收发一体，处于发射状态时换能器端电压为几十 V，而在接收状态下端电压仅为10100 mV，保护电路主要功能为限制接收电路输入信号幅度，防止驱动高压损坏接收电路。图 6 为模组采用的保护电路，肖特基二极管 D3、D4构成限压电路，最大电压为 0 20 4 V;2、C2组成低通滤波器，2的取值大于 10 k，低通滤波器截止频率 frc=1/(22C2)，设计时建议 frc5fu(fu为超声波频率)。图 6带有低通滤波器的保护电路3 3二阶压控带通滤波电路电路接收的超声波信号中包含有环境及电路电磁干扰噪声，这些噪声对可变阈值法的可靠实施造成影响，模组采用图 7 所示的有源二阶压控带通滤波器对噪声信号进行过滤。图 7二阶压控带通滤波电路带通滤波电路中 C3=C4，基于拉普拉斯变换推导电路的传递函数 A(s)为:A(s)=C345(6+7)sPas2+Pbs+PcPa=C233456Pb=C3456+2C3356C3347Pc=6(5+3)(4)将传递函数简化为A(s)=A0Qss2+Qs+200=1C234(15+13)A0=Af324+13+15(1Af)Af=6+76Q=1C3(24756+13)(5)式中:0为滤波器的中心角频率;A0为滤波器最大增益;Q 为滤波器带宽。二阶压控带通滤波幅频特性如图 8 所示。图 8二阶压控带通滤波幅频特性62Instrument Technique and SensorMay 20233 4滞回比较器滞回比较器将超声波信号转换为脉冲信号，用以触发 STM32 进行采样，其设计如图 9 所示，由运放和电阻 8、9组成一个正反馈系统，二极管 D5、电阻 10将信号转换为单极性，实现对 STM32 电平的兼容。图 9滞回比较器电路滞回比较器输入输出特性(见图 10)中含有滞回区间，滤除了信号噪声对输出脉冲信号的干扰，其阈值为uth=89us(6)式(6)中，us为运放双极性供电电压值，uth建议为 0 40 8 V，兼顾噪声滤除和信号的完整性。图 10滞回比较器输入输出特性3 5峰值保持电路模组所用峰值保持电路如图 11 所示，由运放、二极管、电阻、电容等外围电路构成，12、Q1构成复位电路，在信号到达之前应完成复位，D6可防止输入信号为负时 U5进入非线性工作区，反馈电阻 11可对 D6、D7的压降进行补偿。图 11峰值保持电路4双向超声波风速检测模组性能测试超声波风速检测模组换能器频率选用 200 kHz，STM32 控制器主频 72 MHz，采用间歇性休眠模式，数据采集频率 10 Hz，供电电源为 3 6 V，整机功耗约为0 15 W，模组原型机如图 12 所示。图 12双向超声波风速检测模组原型机控制器计时器时钟与主频一致，根据式(1)、式(2)可计算出基于 STM32F103 控制器的风速物理分辨率为vre=L1 44108t1t2cosc21 44108Lcos(7)模组结构中 L 设计为 70 mm，夹角 为 45，取声速为 340 m/s，则风速物理分辨率约为 0 016 m/s。目前国内的标准风洞主要以皮托管或热线热膜仪作为标准器，最高精度为 0 2 m/s，无法满足风速模组性能测试需求。依托瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室的标准流量装置(如图 13)对风速模组进行性能检验，该装置基于音速喷嘴法，流量调节范围为 125 000 m3/h，管径尺寸涵盖 DN15DN600，相对不确定度为 0 25%，精度等级为 0 25 级。图 13音速喷嘴法流量标准装置在流量标准装置上对超声波风速检测模组先进行风速校准，校准点在 6 m/s 附近，然后进行 0 125 m/s风速性能测试，在风速测试点分别标准值和模组示值如表 1 所示。第 5 期但强:基于 STM32 的超声波风速低采样检测技术63表 1标准流量装置标准值与超声波风速检测模组示值m/s标准值示值 1示值 2示值 3示值 4示值 5示值 6示值 7示值 8示值 9示值 100 140 150 150 160 150 150 160 150 150 150 151 131 151 141 101 161 171 161 151 171 161 162 102 162 152 142 162 172 162 172 152 182 176 246 296 276 286 296 306 316 326 306 296 278 418 348 358 368 398 408 428 438 398 428 4412 4312 5512 5812 6012 6212 6112 5712 5412 5112 4912 5614 2814 2714 3314 3514 3214 3814 3514 2814 2714 2914 3218 0318 1218 1818 1018 0918 1318 1818 1618 0918 0618 1523 2723 3123 4023 4423 4723 5623 5023 5423 4823 4123 35标准 16使用不确定度方法评价测量数据的可靠性，依据 A 类评价数据的不确定度可表示为u(x)=nk=1(xk x)2n(n 1)(8)其中 x 为 x 数组的平均值，即x=1nnk=1xk(9)由于流量标准装置的相对不确定度为 0 25%，则模组合成的标准不确定度 uc(x)及其相对不确定度urel(x)应为:uc(x)=u2(x)+(0 002 5v标)2urel(x)=uc(x)x(10)式中 v标为标准值。将各组示值的平均值作为该测点风速检测值，并计算各测点的误差，平均值、误差及不确定度等相关数据列入表 2 中。表 2超声波风速检测模组测量数据、误差及不确定度标准值/(ms1)平均值/(ms1)误差/(ms1)示值不确定度/(ms1)合成不确定度/(ms1)相对不确定度/%0 140 150 010 001 30 001 41 131 150 020 006 50 007 12 102 160 060 003 80 006 50 306 246 220 020 005 10 016 40 268 418 390 020 011 00 023 70 2812 4312 560 130 013 30 033 80 2714 2814 320 040 011 90 037 60 2618 0318 130 100 013 00 046 90 2623 2723 450 180 025 30 063 40 27由表 2 数据可看出，在 8 m/s 风速范围内模组测量误差小于 0 1 m/s，18 m/s 风速内误差小于 0 15 m/s，风速大于 2 m/s 时其相对不确定度约为 0 3%。本文设计的双向超声波风速检测模组具有较高测量精度，且其测量值可信度高。5结束语本文提出了一种基于 STM32F103C8T6 的双向风速检测模组的设计方法，模组采用信号峰值及过零点时刻低速率采样的方式实现了较少外围电路的硬件设计，整体成本低;基于电源管理及控制器休眠技术实现模组的功耗低至 0 15 W，且通过降低数据采集频率还可进一步降低功耗，以满足更低功耗的应用需求。所设计的原型机经精度等级为 0 25 级的音速喷嘴标准流量装置测试，约 8 4 m/s 内的低风速区精度可达到 0 1 m/s，23 m/s 风速内相对不确定度约为0 3%，整体风速检测性能优越。本模组虽设计为双向风速检测，但通过优化超声波换能器安装形式及声道数量，该技术仍可实现全向风速检测。参考文献:1唐盘良 超声风速风向仪设计D 成都:电子科技大学，2014 2 牛昊东，施云波，王天，等 超声波相位比较法的风速风向传感器设计 J 哈尔滨理工大学学报，2021，26(1):122129(下转第 69 页)第 5 期李博等:基于霍尔传感器的汽车天窗防夹系统设计69由表 1 可看出，天窗在不同位置防夹力均在 85 N以下，能够满足设计要求。5结束语针对汽车天窗在起翘滑动过程中存在的机构阻力导致天窗的误防夹问题，提出了基于高斯模型的天窗防夹算法。通过建立不同位置的霍尔脉宽的高斯模型，对本次采集点进行异常检测，判断该样本点是否异常，排除正常样本点对于累加结果的影响。将异常点与样本均值进行差分计算，再进行窗口内累加计算，降低了变化剧烈的机构阻力对于霍尔脉宽的影响，最终夹紧力评估值 s 变化平稳，未出现剧烈变化，提高了算法的稳定性。经天窗防夹测试，实验结果表明:在防夹力符合国家标准的前提下，可以有效解决天窗起翘滑动过程中，机构阻力带来的误防夹的问题。参考文献:1 姚鑫，高云凯 轿车天窗运动执行机构起翘高度的优化 J 机械制造，2022，60(6):1921;27 2 张严 电动车窗感应防夹技术专利分析 J 中国发明与专利，2018，15(S2):6571 3 王晓明，韩阳，任少义，等 车窗升降控制器的防夹测控算法 J 中国科技论文在线，2010，5(8):615618 4 杜延海 应用双霍尔传感器的防夹电动车窗设计 D 上海:东华大学，2014 5 李丹丹 车窗控制器及防夹算法的研究D 哈尔滨:哈尔滨工业大学，2019 6 FU H，LIU J G A highly robust power window anti-pinch al-gorithm based on approximate integral methodC/Pro-ceedings of 2016 International Conference on Automotive En-gineering，Mechanical and Electrical Engineering(AEMEE2016)，2016:508513 7 李云，徐洋，李超，等 基于电机电流检测的汽车电动车窗纹波防夹系统设计 J 汽车零部件，2021(1):9194 8 苏洪 基于 LIN 总线的车窗防夹控制系统研究 D 哈尔滨:哈尔滨工业大学，2015 9 史敏杰 汽车电动天窗模糊控制以及防夹策略的设计和实现 D 上海:上海交通大学，2017 10 杨贺，吕艳，张元良 基于 K-means 聚类的汽车天窗防夹算法研 究J 机 电 工 程 技 术，2022，51(10):79 82;136 11 沈浩 异常检测的动态代价敏感学习深度置信网络研究 D 南京:南京财经大学，2019 12 陈学泓，陈晋，杨伟，等 基于误差分析的组合分类器研究 J 遥感学报，2008(5):683691作者简介:李博(1998)，硕士研究生，主要研究方向为单片机嵌入式系统开发。E-mail:boli mail dlut edu cn通信作者:张元良(1959)，教授，博士生导师，主要研究方向为嵌入式控制系统研发。E-mail:zylgzhdlut edu cn(上接第 63 页)3 李佳兴 基于 STM32 的超声风速测量系统的设计 D 南京:东南大学，2017 4 梁亮 超声波测风系统的研制 D 吉林:吉林大学，2016 5曲振林 基于 FPGA 的超声波测风系统的设计D 南京:南京信息工程大学，2014 6 黄吉葵 高精度超声波风速风向仪测量系统设计与实现 D 成都:电子科技大学，2019 7 郭银 基于 AM 的超声波测风系统研究与设计D 南京:南京信息工程大学，2017 8 刘德荣，王瑛，王铁流，等 基于 STM32F 的超声波风速风向仪设计 J 测控技术，2017，36(6):97100 9 刘华欣 基于超声波传感器的风速风向测量研究J 仪表技术与传感器，2018(12):101104;110 10 陆健 基于超声波的风速风向测量研究 D 南京:南京信息工程大学，2015 11 饶家龙 一种高精度低成本矿用超声波风速风向仪设计 J 自动化与仪器仪表，2020(11):119121;125 12 杨阳阳，崔永俊，侯钰龙 基于时差法的高精度超声波风速风向测量系统 J 仪表技术与传感器，2022(2):7983 13 杨友良，陈宇擎，孟凡伟 基于波形峰值检测的超声波流量计 J 传感器与微系统，2021，40(4):114116;121 14 毛凯，胡亮，付新 一种低功耗自诊断双阈值超声波传播时间检测法 J 仪表技术与传感器，2021(3):8292 15 汪伟，徐科军，方敏，等 一种气体超声波流量计信号处理方法研究J 电子测量与仪器学报，2015，29(9):13651373 16 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会流体流量测量不确定度评定程序:GB/T 277592011 S 北京:中国标准出版社，2011:612作者简介:但强(1991)，助理研究员，硕士，主要研究方向为瓦斯抽放监测监控技术、仪器仪表开发。E-mail:dan qiang foxmail com