基于ARM的超声波测风系统研究与设计

发布时间：2019-10-12 05:22

【摘要】：随着科学技术的发展,风速风向测量广泛应用于军事、气象监测、航海航空等方面。日前常用的测风仪器主要包括机械式测风仪、激光多普勒式测风仪以及超声波测风仪,其中超声波测风仪因没有转动部件,机械损耗小,逐渐成为测风仪的主流。超声波测风速是利用超声波在顺风和逆风的传播时间来测量风速的,系统对超声波传播时间的测量关系到超声波测风精度的高低,而时延估计算法是提高超声波测风精度的重要方法。因此,为了提高时延估计的精度,本文提出了一种基于LMS的PHAT加权互相关时延估计算法,该算法首先对传感器接收到的超声波信号进行自适应滤波,提高接收信号的相似度。再对滤波器输出的时延信号进行PHAT加权进一步提高信号的信噪比,进而得到精确的时延估计值,从而更精确地计算出超声波传播的时间。实验证明该方法具有较强的抗噪声性能,提高了时延估计精度。由于信号处理较为复杂,系统采用高性能的处理器LPC1768作为控制核心,设计了主控制板、发射板、接收板。发射板包括超声波驱动电路,可以驱动超声波传感器;接收板主要包括前置放大电路、滤波电路、检波电路以及阈值比较电路。并设计了串口通信电路,该电路可以将风速风向数据通过RS485端口传输到远程观测平台上位机。系统在软件设计部分,采用模块化程序设计,主要对系统启动代码、超声波收发模块、风速计算模块和串口通信电路进行程序设计,并运用Visual C开发工具,开发出基于C语言的上位机软件,可以实时地对超声波测风仪进行监测,具有存储数据和分析数据功能。
【图文】：

风速计,选择量,压力范围,管道

皮托管式风速计是由法国皮托发明而命名的，是一种根据测量气流逡逑的总压和静压来推出气流速度的装置，主要由皮托管、橡胶软管、测量仪逡逑表组成，如图１．２所示。逡逑Ｖ＼逡逑Ｗ＼Ｌ逡逑＼＼＼逦Ａ逡逑＼ｕ邋ＨＩ邋ｆ邋＼＼＼逦Ｉ逡逑ｗ邋ｖＸＪ逡逑图１．２皮托管式风速计逡逑测量时首先连接好管道，根据估算的压力范围选择量程合适的皮托逡逑管，，然后皮托管全压接头接压力传感器的高压端，静压接头接压力传感器逡逑的低压端，使气流方向垂直于管口，测出气流总压与静压，两者之差即为逡逑动压，然后再应用伯努利方程计算出风速值，伯努利方程可表示如下形式：逡逑３逡逑

自适应算法,原理结构,时延估计,目标信号

逦第二章时延估计算法的研究0）邋0（ｗ）Ｇ吵（ｗ）ｅ”心逦（２．邋５）然后通过峰值检测，互相关函数峰值对应的横坐标点就是时延值。逡逑２．２．３基于ＬＭＳ的ＰＨＡＴ加权互相关时延估计算法逡逑基于ＬＭＳ的ＰＨＡＴ加权互相关时延估计算法总共２个部分：第一步ＬＭＳ自适应滤波［２°］，将２个超声波传感器接收到的信号Ｘ邋（ｎ）和Ｙ（ｎ）为自适应滤波器的目标信号和输入信号，自适应算法不需要信号与噪声先验知识，通过迭代调整滤波器的加权系数Ｗ（ｎ），不断减小输入信号（ｎ）和目标信号Ｘ邋（ｎ）的误差。当误差ｅ（ｎ）达到最小时，即输入信号（ｎ）与目标信号Ｘ邋（ｎ）相似程度最大，权系数Ｗ（ｎ）的峰值偏离原点的置就是所要得到的时延值。逡逑逦Ｘ（ｎ）逦逦邋ｅ（ｎ）逦
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB559

【参考文献】