基于ARM的超声波测风系统研究与设计

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。目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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 研究的历史和发展现状

1．3 现有常用的超声波测风技术

1．4 目前存在的问题和本文解决的方法

1．5 研究的主要内容与结构

第二章 时延估计算法的研究

2．1 常用的时延估计算法

2．2 时延估计算法改进

2．2．1 互相关时延估计

2．2．2 PHAT加权函数下的互相关函数

2．2．3 基于LMS的PHAT加权互相关时延估计算法

2．3 仿真试验和分析

2．4 本章总结

3．1 系统总体方案设计

3．1．1 系统方案设计

3．1．2 系统整体工作流程概述

3．2 超声波及超声波传感器介绍

3．2．1 超声波

3．2．2 超声波传感器

3．3 LPC1768主控制板电路设计

3．3．1 处理器概述

3．3．2 系统电源设计

3．3．3 时钟电路设计

3．3．4 JTAG调试接口电路设计

3．4 超声波信号发射板电路设计

3．5 超声波信号接收板电路设计

3．5．1 前置放大电路

3．5．2 带通滤波电路

3．5．3 包络检波电路

3．5．4 阈值比较电路

3．6 其他外围电路设计

3．6．1 串口通信电路

3．6．2 温度检测及加热电路设计

3．7 PCB设计

3．8 本章小结

第四章 系统的软件设计

4．1 系统软件设计流程

4．2 软件开发架构

4．3 超声波测风系统初始化

4．4 超声波收发模块程序设计

4．5 风速计算模块程序设计

4．6 串口通信模块程序设计

4．6．1 MODBUS协议介绍

4．6．2 超声波测风系统Modbus协议实现

4．7 上位机软件设计

4．7．1 上位机软件设计整体思路

4．7．2 上位机软件界面设计

4．8 本章小结

第五章 总结与展望

5．2 展望

参考文献

作者简介

致谢

附录