基于特征波提取的超声波测风电路、方法及测风器与流程

1.本发明属于风速风向测量技术领域，尤其涉及一种基于特征波提取的超声波测风电路、方法及测风器。
2.

背景技术：

3.风能是一种清洁，安全，可再生的绿色能源，利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的热点。国家对可再生能源的利用,特别是风能开发利用给予了高度重视，其中准确测风作为首要任务。
4.测风包括测风速和测风向，是风能资源开发的一个重要环节，也是风能资源开发的前提和基础，做好测风对于风能开发具有重要的意义。
5.现代测风领域使用较为广泛的是超声波测风仪，该测风仪安装简单、维护方便并且设备成本较低，但通常设计有四路驱动发射电路、复杂的高速模数转换以及测温电路设计，电路设计复杂，且系统的时间测量精度低导致风速风向的测量精度低。
6.

技术实现要素：

7.本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种基于特征波提取的超声波测风电路、方法及测风器。
8.为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种基于特征波的超声波测风电路，包括控制模块、脉冲通道选择驱动模块、四个换能器、回波通道选择模块、程控放大模块、滤波模块、判断模块和测量模块，所述控制单元分别连接脉冲通道选择驱动模块、回波通道选择模块、程控放大模块、滤波模块、判断模块和测量模块，所述脉冲通道选择驱动模块依次连接四个换能器及回波通道选择模块，所述四个换能器基于四个方向设置；所述控制模块发送3个正向脉冲信号，t/2时间后对3个脉冲信号进行换向，得到3个反向脉冲信号，再发送3个正向脉冲信号与3个反向脉冲信号共同激发任意一个换能器，其中，t为脉冲信号的一个周期；所述脉冲通道选择驱动模块控制3个正向脉冲信号和3个反向脉冲信号一正一负成对推挽式工作生成处理后的超声波信号；所述回波通道选择模块接收处理后的超声波信号选通相反方向的换能器接收相应回波信号传输至程控放大模块；所述程控放大模块对接收到的回波信号进行处理得到第一滤波信号并传输至滤波模块中；所述滤波模块对第一滤波信号进行滤波得到第二滤波信号，并将第二滤波信号一
部分传输至测量模块中，另一部分经过判断模块后得到第三滤波信号并传输至所述控制模块中，所述控制模块基于第三滤波信号对回波信号的幅度进行判断，若不合适，则控制模块通过pwm rc滤波的方式调节程控放大模块的增益；所述测量模块对接收到的第二滤波信号进行判断得到脉冲中断信号，并将脉冲中断信号反馈至主控模块中，所述测量模块接收到第二滤波信号时且选取8个回波对应的第二滤波，依次记录8个回波对应的第二滤波的时间并反馈至所述控制模块；所述控制模块对于读取到的8个回波对应的第二滤波的时间进行处理，基于相邻两个第二滤波的时间差得到特征波信号，进而得到实际的渡越时间，结合超声波传播的时间差，得到东西和南北的风速进而矢量合成风速和风向值。
9.作为一种可实施方式，所述脉冲切换模块括芯片74hc4052pw，其16脚连接电阻并接3.3v电压，16脚连接电容并接地。
10.作为一种可实施方式，还包括加热模块，所述加热模块连接所述控制模块。
11.作为一种可实施方式，所述判断模块分别连接滤波模块和控制模块，所述判断模块包括依次连接的绝对值单元、包络检波单元及低通滤波单元。
12.作为一种可实施方式，所述程控放大模块包括跟随单元、谐振单元、放大单元及滤波单元，所述跟随单元及谐振单元分别连接所述放大单元，放大单元包括运算放大器，运算放大器的4脚接地，6脚接-5v电压；所述跟随单元包括跟随器、电阻r1和电容c1，跟随器的输入端连接回波通道选择切换的输出端，跟随器的输出端分别连接电阻r1的一端和电容c1的一端，电阻r1的另一端接地，电容c1的另一端连接运算放大器的3脚；所述谐振单元包括电阻r2、电阻r3、电阻r4、电容c2及电容c3，电阻r2的一端连接pwm信号端，电阻r2的另一端连接电容c2一端和运算放大器的1脚，电容c2的另一端接地，电阻r3的一端连接5v电压，电阻r3的另一端连接电阻r4的一端，电阻r4的另一端连接电容c3的一端并接地，电容c3的另一端连接运算放大器的2脚；所述滤波单元包括电容c4、电容c5、电容c6、电容c7、电阻r5及电阻r6，所述电容c4和电容c5并联并一端连接5v电压，另一端接地，电容c6的一端连接运算放大器的5脚及电阻r5的一端，另一端接地，电阻r5与电阻r6串联，电阻r5的一点连接运算放大器的5脚，电阻r6的另一端连接电容c7的一端运算放大器的7脚，电容c7的另一端连接带通滤波模块。
13.作为一种可实施方式，脉冲通道选择驱动模块包括电阻r7-电阻r15、电容c8-c9、二极管d1-d4、三极管q1-q2及变压器tr1，电阻r7和电阻r8串联，电阻r7的另一端连接的信号输出端、电阻r8的另一端接地，电阻r8的一端连接三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极连接变压器tr1的6脚，变压器tr1的5脚连接5.4v电压，电阻r9和电阻r10串联，电阻r9的另一端连接的信号输出端、电阻r10的另一端接地，电阻r10的一端连接三极管q2的基极，三极管q2的发射极接地，三极管q2的集电极连接变压器tr1的4脚；变压器tr1的1脚分别连接换能器的2脚及电阻r11的一端，电阻r11的另一端接地；变压器tr1的3脚分别连接二极管d1的正极及二极管d2的负极，二极管d1的负极及二极管d2的正极分别连接电阻r12的一端及换能器的1脚，电阻r12的另一端连接电阻r11的一端；电阻r13串联电容c8，换能器的1脚连接电阻r13的另一端，电容c8的另一端分别连
接二极管d3的负极、二极管d4的正极及电容c9的一端，二极管d3的正极及二极管d4的负极分别接地，电容c9的另一端分别连接电阻r14的一端和电阻r15的一端，电阻r14的另一端连接3.3v电压，电阻r15的另一端接地，电阻r14和电阻r15之间的输出端连接回波通道选择模块。
14.作为一种可实施方式，所述测量模块包括测量芯片、晶体谐振器x2-x3、电阻16-24、电容c10-14，所述测量芯片的型号为tdc-ms1030；晶体谐振器x2的1脚分别连接电容c10的一端、电阻r16的一端及tdc-ms1030的1脚，tdc-ms1030的2脚连接电阻r16的另一端、电容c11的一端及晶体管x2的3脚，电容c11的另一端接地，电容c10的另一端接地，晶体管x2的2脚和4脚分别接地；晶体谐振器x3的一端连接电容c12的一端、电阻r21的一端及tdc-ms1030的15脚，tdc-ms1030的16脚分别连接电容c13的一端、电阻r21的另一端及晶体管x3的另一端，电容c13的另一端及电容c12的另一端分别接地，tdc-ms1030的25脚和26脚分别连接电阻23与电阻22的一端，电阻23与电阻22的另一端分别接地，7脚连接电阻r17再接地，5脚连接电阻r18再接信号输入端，18脚连接电容c14再接地，12脚连接电阻r24再接控制模块，27脚接收第二滤波信号，32脚连接电阻r19再接3.3v电压。
15.作为一种可实施方式，回波通道选择切换模块包括回波通道选择切换芯片，型号为adg704brmz。
16.作为一种可实施方式，所述得到东西和南北的风速再矢量合成风速和风向值，具体为：将采集多次数据再经过中位值平均滤波法得到东西南北回波接收时间分别是te、tw、ts、tn，通过计算公式vew = (1/te-1/tw)/cos45
º
*d及vsn = (1/ts-1/tn)/cos45
º
*d计算出东西方向风速vew和南北方向风速vsn。
17.一种基于特征波的超声波测风方法，包括以下步骤：所述控制模块发送3个正向脉冲信号，t/2时间后对3个脉冲信号进行换向，得到3个反向脉冲信号，再发送3个正向脉冲信号与3个反向脉冲信号共同激发任意一个换能器，其中，t为脉冲信号的一个周期；所述脉冲通道选择驱动模块控制3个正向脉冲信号和3个反向脉冲信号一正一负成对推挽式工作生成处理后的超声波信号；所述回波通道选择模块接收处理后的超声波信号选通相反方向的换能器接收相应回波信号传输至程控放大模块；所述程控放大模块对接收到的回波信号进行处理得到第一滤波信号并传输至滤波模块中；所述滤波模块对第一滤波信号进行滤波得到第二滤波信号，并将第二滤波信号一部分传输至测量模块中，另一部分经过判断模块后得到第三滤波信号并传输至所述控制模块中，所述控制模块基于第三滤波信号对回波信号的幅度进行判断，若不合适，则控制模块通过pwm rc滤波的方式调节程控放大模块的增益；所述测量模块对接收到的第二滤波信号进行判断得到脉冲中断信号，并将脉冲中断信号反馈至主控模块中，所述测量模块接收到第二滤波信号时且选取8个回波对应的第二滤波，依次记录8个回波对应的第二滤波的时间并反馈至所述控制模块；所述控制模块对于读取到的8个回波对应的第二滤波的时间进行处理，基于相邻
两个第二滤波的时间差得到特征波信号，进而得到实际的渡越时间，结合超声波传播的时间差，得到东西和南北的风速进而矢量合成风速和风向值。
18.一种基于特征波提取的超声波测风器，包括所述的基于特征波提取的超声波测风电路，且四个换能器相对距离10cm。
19.本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明提供的一种基于特征波提取的超声波测风速方法及系统采用简单的电路设计和高精度的tdc-ms1030芯片，基于特征波提取精确超声波渡越时间，为精确计算风速提供保证。
20.附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明脉冲通道选择驱动模块部分示意图；图2是本发明脉冲通道选择驱动模块另一部分示意图；图3是回波通道选择模块电路原理示意图；图4是程控放大模块电路原理示意图；图5是软件模拟出来的波形示意图；图6是本发明方法的示意图；图7是测量模块的电路原理示意图；图8为本发明测风电路的示意图；图9为本发明的双驼峰型波形示意图。
23.具体实施方式
24.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
25.实施例1：一种基于特征波的超声波测风电路，如图8所示，包括控制模块、脉冲通道选择驱动模块、四个换能器、回波通道选择模块、程控放大模块、滤波模块、判断模块和测量模块，所述控制单元分别连接脉冲通道选择驱动模块、回波通道选择模块、程控放大模块、滤波模块、判断模块和测量模块，所述脉冲通道选择驱动模块依次连接四个换能器及回波通道选择模块，所述四个换能器基于四个方向设置；所述控制模块发送3个正向脉冲信号，t/2时间后对3个脉冲信号进行换向，得到3个反向脉冲信号，再发送3个正向脉冲信号与3个反向脉冲信号共同激发任意一个换能器，其中，t为脉冲信号的一个周期；所述脉冲通道选择驱动模块控制3个正向脉冲信号和3个反向脉冲信号一正一负成对推挽式工作生成处理后的超声波信号；此时的波形为双驼峰型波形，如附图9所示，所述回波通道选择模块接收处理后
的超声波信号选通相反方向的换能器接收相应回波信号传输至程控放大模块；所述程控放大模块对接收到的回波信号进行处理得到第一滤波信号并传输至滤波模块中；所述滤波模块对第一滤波信号进行滤波得到第二滤波信号，并将第二滤波信号一部分传输至测量模块中，另一部分经过判断模块后得到第三滤波信号并传输至所述控制模块中，所述控制模块基于第三滤波信号对回波信号的幅度进行判断，若不合适，则控制模块通过pwm rc滤波的方式调节程控放大模块的增益；所述测量模块对接收到的第二滤波信号进行判断得到脉冲中断信号，并将脉冲中断信号反馈至主控模块中，所述测量模块接收到第二滤波信号时且选取8个回波对应的第二滤波，依次记录8个回波对应的第二滤波的时间并反馈至所述控制模块；所述控制模块对于读取到的8个回波对应的第二滤波的时间进行处理，基于相邻两个第二滤波的时间差得到特征波信号，进而得到实际的渡越时间，结合超声波传播的时间差，得到东西和南北的风速进而矢量合成风速和风向值。
26.在一个实施例中，所述脉冲切换模块括芯片74hc4052pw，其16脚连接电阻并接3.3v电压，16脚连接电容并接地。
27.在一个实施例中，还包括加热模块，所述加热模块连接所述控制模块。
28.另外，所述判断模块分别连接滤波模块和控制模块，所述判断模块包括依次连接的绝对值单元、包络检波单元及低通滤波单元。另一路信号经过绝对值单元将负半轴的信号翻转到正半周，然后包络检波单元将信号包络检波，检出的包络图形由明显的毛刺，包络信号经过低通滤波单元进行低通滤波后比较干净，可以接入控制模块的adc供采样。
29.在一个实施例中，所述程控放大模块包括跟随单元、谐振单元、放大单元及滤波单元，所述跟随单元及谐振单元分别连接所述放大单元，放大单元包括运算放大器，运算放大器的4脚接地，6脚接-5v电压；所述跟随单元包括跟随器、电阻r1和电容c1，跟随器的输入端连接回波通道选择切换的输出端，跟随器的输出端分别连接电阻r1的一端和电容c1的一端，电阻r1的另一端接地，电容c1的另一端连接运算放大器的3脚；所述谐振单元包括电阻r2、电阻r3、电阻r4、电容c2及电容c3，电阻r2的一端连接pwm信号端，电阻r2的另一端连接电容c2一端和运算放大器的1脚，电容c2的另一端接地，电阻r3的一端连接5v电压，电阻r3的另一端连接电阻r4的一端，电阻r4的另一端连接电容c3的一端并接地，电容c3的另一端连接运算放大器的2脚；所述滤波单元包括电容c4、电容c5、电容c6、电容c7、电阻r5及电阻r6，所述电容c4和电容c5并联并一端连接5v电压，另一端接地，电容c6的一端连接运算放大器的5脚及电阻r5的一端，另一端接地，电阻r5与电阻r6串联，电阻r5的一点连接运算放大器的5脚，电阻r6的另一端连接电容c7的一端运算放大器的7脚，电容c7的另一端连接带通滤波模块。
30.另外，参见附图2所示，所述脉冲通道选择驱动模块包括电阻r7-电阻r15、电容c8-c9、二极管d1-d4、三极管q1-q2及变压器tr1，电阻r7和电阻r8串联，电阻r7的另一端连接的信号输出端、电阻r8的另一端接地，电阻r8的一端连接三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极连接变压器tr1的6脚，变压器tr1的5脚连接5.4v电压，电阻r9和电阻r10串联，电阻r9的另一端连接的信号输出端、电阻r10的另一端接地，电阻r10的一端连接三极管q2的基极，三极管q2的发射极接地，三极管q2的集电极连接变压器tr1的4脚；变压器tr1的1脚分别连接换能器的2脚及电阻r11的一端，电阻r11的另一端接地；变压器tr1的3脚分别连接二极管d1的正极及二极管d2的负极，二极管d1的负极及
二极管d2的正极分别连接电阻r12的一端及换能器的1脚，电阻r12的另一端连接电阻r11的一端；电阻r13串联电容c8，换能器的1脚连接电阻r13的另一端，电容c8的另一端分别连接二极管d3的负极、二极管d4的正极及电容c9的一端，二极管d3的正极及二极管d4的负极分别接地，电容c9的另一端分别连接电阻r14的一端和电阻r15的一端，电阻r14的另一端连接3.3v电压，电阻r15的另一端接地，电阻r14和电阻r15之间的输出端连接回波通道选择模块。
31.在一个实施例中，如图7所示，所述测量模块包括测量芯片、晶体谐振器x2-x3、电阻16-24、电容c10-14，所述测量芯片的型号为tdc-ms1030；晶体谐振器x2的1脚分别连接电容c10的一端、电阻r16的一端及tdc-ms1030的1脚，tdc-ms1030的2脚连接电阻r16的另一端、电容c11的一端及晶体管x2的3脚，电容c11的另一端接地，电容c10的另一端接地，晶体管x2的2脚和4脚分别接地；晶体谐振器x3的一端连接电容c12的一端、电阻r21的一端及tdc-ms1030的15脚，tdc-ms1030的16脚分别连接电容c13的一端、电阻r21的另一端及晶体管x3的另一端，电容c13的另一端及电容c12的另一端分别接地，tdc-ms1030的25脚和26脚分别连接电阻23与电阻22的一端，电阻23与电阻22的另一端分别接地，7脚连接电阻r17再接地，5脚连接电阻r18再接信号输入端，18脚连接电容c14再接地，12脚连接电阻r24再接控制模块，27脚接收第二滤波信号，32脚连接电阻r19再接3.3v电压。
32.另外，在本发明中，回波通道选择切换模块包括回波通道选择切换芯片，型号为adg704brmz。
33.在一个实施例中，所述得到东西和南北的风速再矢量合成风速和风向值，具体为：将采集多次数据再经过中位值平均滤波法得到东西南北回波接收时间分别是te、tw、ts、tn，通过计算公式vew = (1/te-1/tw)/cos45
º
*d及vsn = (1/ts-1/tn)/cos45
º
*d计算出东西方向风速vew和南北方向风速vsn。
34.实施例2：一种基于特征波的超声波测风方法，包括以下步骤：所述控制模块发送3个正向脉冲信号，t/2时间后对3个脉冲信号进行换向，得到3个反向脉冲信号，再发送3个正向脉冲信号与3个反向脉冲信号共同激发任意一个换能器，其中，t为脉冲信号的一个周期；所述脉冲通道选择驱动模块控制3个正向脉冲信号和3个反向脉冲信号一正一负成对推挽式工作生成处理后的超声波信号；所述回波通道选择模块接收处理后的超声波信号选通相反方向的换能器接收相应回波信号传输至程控放大模块；所述程控放大模块对接收到的回波信号进行处理得到第一滤波信号并传输至滤波模块中；所述滤波模块对第一滤波信号进行滤波得到第二滤波信号，并将第二滤波信号一部分传输至测量模块中，另一部分经过判断模块后得到第三滤波信号并传输至所述控制模块中，所述控制模块基于第三滤波信号对回波信号的幅度进行判断，若不合适，则控制模块通过pwm rc滤波的方式调节程控放大模块的增益；所述测量模块对接收到的第二滤波信号进行判断得到脉冲中断信号，并将脉冲中断信号反馈至主控模块中，所述测量模块接收到第二滤波信号时且选取8个回波对应的第
二滤波，依次记录8个回波对应的第二滤波的时间并反馈至所述控制模块；所述控制模块对于读取到的8个回波对应的第二滤波的时间进行处理，基于相邻两个第二滤波的时间差得到特征波信号，进而得到实际的渡越时间，结合超声波传播的时间差，得到东西和南北的风速进而矢量合成风速和风向值。
35.实施例3：一种基于特征波提取的超声波测风器，包括以上所述的基于特征波提取的超声波测风电路，且四个换能器相对距离10cm。
36.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。