本实用新型公开了一种基于FPGA和TDC‐GP22的高精度测风仪,上位机经FPGA逻辑控制芯片,通过TDC时差测量单元控制换能器相互接发超声波;TDC时差测量单元根据接发超声波的电信号检测超声波的传输时间,并反馈给FPGA逻辑控制芯片;FPGA逻辑控制芯片根据传输时间计算风速,并反馈给上位机。通过采用FPGA逻辑控制芯片TDC‐GP22作为时间差测量芯片,大大降低了系统的功耗,使时间测量的分辨率可达到22ps,提高了风速风向测量精度和分辨率。简化电路的同时,提高超声波传播时间差的测量精度、减小测量误差。采用太阳能电池板供电,广泛应用于气象、海洋、环境、农业、林业、水利、电力、科研等领域。
1.一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,其特征在于,包括上位机、电源模块、FPGA逻辑控制芯片、TDC时差测量单元、和换能器组;所述换能器组包括一对相互匹配的换能器;所述上位机经FPGA逻辑控制芯片,通过TDC时差测量单元控制换能器相互接发超声波;TDC时差测量单元根据接发超声波的电信号检测超声波的传输时间,并反馈给FPGA逻辑控制芯片;FPGA逻辑控制芯片根据传输时间计算风速,并反馈给上位机;电源模块通过FPGA逻辑控制芯片供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,其特征在于,所述换能器组前置驱动发射电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,其特征在于,所述换能器组后置接收调理电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,其特征在于,所述电源模块为太阳能电池板。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,其特征在于,所述换能器组包括两对处于同一水平面,中线相互交叉的换能器。
6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,其特征在于,所述FPGA逻辑控制芯片通过多路选择器控制换能器组。
7.根据权利要求5所述的一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,其特征在于,所述FPGA逻辑控制芯片根据两组风速计算风向,并反馈给上位机。
8.根据权利要求5所述的一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,其特征在于,所述中线相互垂直。
技术领域本实用新型涉及一种测风仪,具体涉及一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪。
背景技术风矢量是基本的气象要素之一,风速风向的测量对现代人类的工作生活有这极其重要的意义。现代气象监测站大多向着全天无人值守型发展。建立自动气象监测站,迫切需要精度高,免维护的自动监测仪,包括达到此要求的风速风向仪。传统的机械式风速风向仪存在转动部件,容易产生磨损,还存在启动风速。为克服传统风杯式风速风向仪的固有缺点,新型超声波风速风向仪应运而生。超声波测量风速的方法主要有直接时差法、频差法、相位差法等。其中直接时间差法是目前最常用的超声波测量方法。超声波在空气中传播时间的测量是影响测风仪精度的重要因素。目前超声波测风仪应用的时间间隔的测量方法主要有:直接计数法、模拟内插法、时间幅值转换法。但这些方法测量的时间间隔要么误差大精度低,要么电路复杂容易受到电磁干扰,而且存在系统功耗大的问题。实用新型内容为解决现有技术的不足,本实用新型的目的在于提供一种基于FPGA和TDC-GP22,简化电路并提高测量精度的测风仪。为了实现上述目标,本实用新型采用如下的技术方案:一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,包括上位机、电源模块、FPGA逻辑控制芯片、TDC时差测量单元、和换能器组;所述换能器组包括一对相互匹配的换能器;所述上位机经FPGA逻辑控制芯片,通过TDC时差测量单元控制换能器相互接发超声波;TDC时差测量单元根据接发超声波的电信号检测超声波的传输时间,并反馈给FPGA逻辑控制芯片;FPGA逻辑控制芯片根据传输时间计算风速,并反馈给上位机;电源模块通过FPGA逻辑控制芯片供电。上述换能器组前置驱动发射电路。上述换能器组后置接收调理电路。上述电源模块为太阳能电池板。上述换能器组包括两对处于同一水平面,中线相互交叉的换能器。进一步的,上述FPGA逻辑控制芯片通过多路选择器控制换能器组。进一步的,上述FPGA逻辑控制芯片根据两组风速计算风向,并反馈给上位机。进一步的,上述中线相互垂直。本实用新型的有益之处在于:本实用新型的一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,采用FPGA逻辑控制芯片和TDC-GP22作为时间差测量芯片,大大降低了系统的功耗,使时间测量的分辨率可达到22ps,提高了风速风向测量精度和分辨率。简化电路的同时,提高超声波传播时间差的测量精度、减小测量误差,解决了现有技术中存在的问题。采用太阳能电池板供电,无需铺设电缆,可广泛应用于气象、海洋、环境、农业、林业、水利、电力、科研等领域,为其提供高精度的风速风向数据,具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明图1为本实用新型的换能器布置的结构示意图;图2为本实用新型的一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪的结构示意图;图3为本实用新型的驱动发射电路的结构示意图;图4为本实用新型的信号接收调理电路的结构示意图;图5为本实用新型的TDC-GP22的外围接口电路;图6为系统时序流程图。
具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。一种基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪,包括上位机、FPGA逻辑控制芯片、TDC时差测量单元、和换能器组;太阳能电池板通过FPGA逻辑控制芯片供电。换能器组包括两对相互接发超声波的换能器,处于同一水平面且中线相互垂直,分别处于X轴和Y轴。上位机经FPGA逻辑控制芯片,通过多路选择器选择换能器。上位机经FPGA逻辑控制芯片和TDC时差测量单元,通过驱动发射电路激发换能器组接发超声波,换能器组接收超声波产生的电信号经接收调理电路返回TDC时差测量单元。TDC时差测量单元根据接发超声波的电信号检测超声波的传输时间,并反馈给FPGA逻辑控制芯片;FPGA逻辑控制芯片根据传输时间计算分别处于X轴和Y轴上的风速,结合两组风速计算风向,并反馈给上位机;图1是本实施例中的换能器布置的结构示意图,包括四个超声波换能器1、2、3、4,四个探头水平方向垂直排列。其原理:设两对超声波换能器距离均为d,x轴方向的传输时间分别为t
12和t
21,y轴方向的传输时间分别为t
34和t
43。风速为v,x轴方向的风速为v
x,y轴方向的风速为v
y,超声波空气传播速度为v
u,则
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ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 从而得出
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ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>由(2)得x轴方向的风速
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ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="453"/>y轴方向的风速
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ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="451"/>风速
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ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>设x轴正方向为0°,则风向为:
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ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="286"/>
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ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>同理可求得其他方向的风速。图2是本实施例的基于FPGA和TDC-GP22的高精度测风仪的结构示意图。逻辑控制核心为FPGA,采用XILINX公司的XC2S00,通过内部逻辑程序实现与上位机和TDC的通信,完成时间间隔的测量工作,不但可以满足设计的需要,而且有相当的资源进行二次开发。系统上电,各模块初始化,FPGA芯片首先对TDC的寄存器进行设置,在配置完成之后进行待机状态。在待机状态下,检测到上位机的测量开始命令后,TDC输出两路同相脉冲信号,一路驱动发射电路,驱动换能器1发射超声波,一路进入Start通道,触发TDC开始测量;换能器2接受超声波回波信号,经过信号滤波放大,输出截止信号进入TDC的Stop1通道,结束TDC测量,ALU进行计算得出超声波的传输时间,INT端口置高;FPGA通过检测INT端口的电平变化,读取结果数据,此时完成顺风超声波传输时间测量。本实施例中采用ADG804四路选择器,FPGA通过控制其管脚进行通道选择,以达到每次只选择2个换能器同时工作,进行二维风速的测量。每个换能器既具有发射功能也具有接收功能。FPGA将TDC测得的时间进行处理,向上位机传递风速风向。图3是本实施例中的驱动发射电路。由于超声波在传播过程中存在衰减,所以为了确保接收端信号的强度,需要提高声源处振幅。故设计一个超声波驱动电路,驱动电压在200~400V之间,以保证超声波信号能正常驱动。Q1为IRL3410绝缘栅型MOSFET,在此电路中起到开关的作用,T1为升压变压器,原副边匝数比为1:10。电阻R2和电容C1组成储能电路。TDC-GP22的FIRE—UP或FIRE-DOWN端口产生的脉冲序列通过SIGNAL输入,当输入为脉冲的高电平时,Q1导通,变压器副边不工作,当输入脉冲为低电平时,Q1不工作,变压器副边导通,原边存储的能量释放到副边。实现了原边低幅值的方波脉冲升高到副边高幅值同频率的方波脉冲,副边的输出引脚TRANS1与换能器相连接,实现对超声波换能器的驱动,使换能器发出超声波。图4是本实施例中的信号接收调理电路。由于超声波测风仪的工作环境恶劣,所以在测量过程中会引入干扰,这些干扰会影响最终测量结果的准确。超声波接收换能器接收到超声波信号时,此超声波信号一般为几毫伏或者十几毫伏,中心频率为200kHz的正弦振荡信号,并且其中包含很多杂波,而TDC-GP22的识别信号要求在100mV以上,因此先经过带通滤波,然后放大处理。图5本实施例中的TDC-GP22外围接口电路;本实用新型采用德国ACAM公司生产的TDC-GP22时间测量芯片,超声波的传输时间很短,因此需要高精度的时差测量才可以精确的进行风速风向的测量。结合使用的环境设计,选择测量范围2,选通Stop1通道,其典型时差测量分辨率为65ps。TDC时差测量单元由TDC-GP22芯片及其外围电路组成,TDC产生的200KHz脉冲信号FIRE—UP和FIRE-DOWN共同驱动超声波发生电路,该信号由FPGA控制寄存器生成,并且该信号作为Start信号触发测量,经过调理的反射信号作为Stop信号接入TDC-GP22,尽量保证信号调理模块靠近TDC时差测量模块,以保证接入的布线误差最小。TDC-GP22芯片通过SPI总线(包括SSN、SCK、SI和SO4个端口)与FPGA实现通信,并且INT中断信号与FPGA的I/O端口相连。FPGA通过INT的电平变化去读取状态寄存器判断测量完成或者测量溢出。本单元采用两个晶振,4MHz的高速晶振和32.768kHz的低速晶振,由于这里高速晶振采用石英晶振,因此不需要对高速晶振进行时钟校准。图6是本实施例的系统时序流程图。在超声波测量系统中,FPGA控制整个系统的逻辑时序,控制各个单元执行相应的功能;FPGA通过内部定时器和计数器控制测量的进行,其中定时器控制每次测量的间隔,计数器记录采样数量。测量的间隔不易过大,过大将导致测量偏差增大,过小则产生冗余数据,增大系统的功耗。系统上电后,FPGA接收上位机界面的参数设置定时器,并通过SPI总线对TDC-GP22进行参数配置,配置成功之后进入查询模式,检测到开始命令后,启动定时器,开始测量,进入测量过程,测量结束后读取顺流传输时间,并通过信号切换电路切换换能器的状态测量逆流传输时间,计数器加一,并将两次数据添加帧头后通过串口上传上位机,进入等待状态,直到定时器触发下一测量循环。如果检测到结束命令,则测量其中FPGA通过SPI总线控制TDC进行传输时间的测量,上电首先发送0X50对TDC进行复位,并对TDC的工作模式进行设置,检测到定时器的测量开始命令后,发送0X70进行初始化,发送0x01触发脉冲信号发生器产生200KHz的3个脉冲信号,驱动超声波发生装置,换能器发出超声波信号,信号经过传输路径反射给接收电路,采样到预定采样数后输出中断信号,当FPGA检测到测量中断信号之后,判断状态寄存器,确认不是溢出后读取结果寄存器,一次测量结束。上位机实现数据处理、结果显示和数据保存等功能。以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解,上述实施例不以任何形式限制本实用新型,凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本实用新型的保护范围内。