[實用新型]一種基于FPGA和TDC?GP22的高精度測風儀

有效

• 申請號: 201720545299.8
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN206725597U
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 陳曉;邢玉品;徐暢;季仟億
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01P13/02
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本實用新型涉及一種測風儀，具體涉及一種基于FPGA和TDC-GP22的高精度測風儀。

背景技術

風矢量是基本的氣象要素之一，風速風向的測量對現代人類的工作生活有這極其重要的意義。

現代氣象監測站大多向著全天無人值守型發展。建立自動氣象監測站，迫切需要精度高，免維護的自動監測儀，包括達到此要求的風速風向儀。

傳統的機械式風速風向儀存在轉動部件，容易產生磨損，還存在啟動風速。為克服傳統風杯式風速風向儀的固有缺點，新型超聲波風速風向儀應運而生。超聲波測量風速的方法主要有直接時差法、頻差法、相位差法等。其中直接時間差法是目前最常用的超聲波測量方法。超聲波在空氣中傳播時間的測量是影響測風儀精度的重要因素。

目前超聲波測風儀應用的時間間隔的測量方法主要有：直接計數法、模擬內插法、時間幅值轉換法。但這些方法測量的時間間隔要么誤差大精度低，要么電路復雜容易受到電磁干擾，而且存在系統功耗大的問題。

實用新型內容

為解決現有技術的不足，本實用新型的目的在于提供一種基于FPGA和TDC-GP22，簡化電路并提高測量精度的測風儀。

為了實現上述目標，本實用新型采用如下的技術方案：

一種基于FPGA和TDC-GP22的高精度測風儀，包括上位機、電源模塊、FPGA邏輯控制芯片、TDC時差測量單元、和換能器組；

所述換能器組包括一對相互匹配的換能器；

所述上位機經FPGA邏輯控制芯片，通過TDC時差測量單元控制換能器相互接發超聲波；

TDC時差測量單元根據接發超聲波的電信號檢測超聲波的傳輸時間，并反饋給FPGA邏輯控制芯片；

FPGA邏輯控制芯片根據傳輸時間計算風速，并反饋給上位機；

電源模塊通過FPGA邏輯控制芯片供電。

上述換能器組前置驅動發射電路。

上述換能器組后置接收調理電路。

上述電源模塊為太陽能電池板。

上述換能器組包括兩對處于同一水平面，中線相互交叉的換能器。

進一步的，上述FPGA邏輯控制芯片通過多路選擇器控制換能器組。

進一步的，上述FPGA邏輯控制芯片根據兩組風速計算風向，并反饋給上位機。

進一步的，上述中線相互垂直。

本實用新型的有益之處在于：

本實用新型的一種基于FPGA和TDC-GP22的高精度測風儀，采用FPGA邏輯控制芯片和TDC-GP22作為時間差測量芯片，大大降低了系統的功耗，使時間測量的分辨率可達到22ps，提高了風速風向測量精度和分辨率。簡化電路的同時，提高超聲波傳播時間差的測量精度、減小測量誤差，解決了現有技術中存在的問題。

采用太陽能電池板供電，無需鋪設電纜，可廣泛應用于氣象、海洋、環境、農業、林業、水利、電力、科研等領域，為其提供高精度的風速風向數據，具有很強的實用性和廣泛的適用性。

附圖說明

圖1為本實用新型的換能器布置的結構示意圖；

圖2為本實用新型的一種基于FPGA和TDC-GP22的高精度測風儀的結構示意圖；

圖3為本實用新型的驅動發射電路的結構示意圖；

圖4為本實用新型的信號接收調理電路的結構示意圖；

圖5為本實用新型的TDC-GP22的外圍接口電路；

圖6為系統時序流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作具體的介紹。

一種基于FPGA和TDC-GP22的高精度測風儀，包括上位機、FPGA邏輯控制芯片、TDC時差測量單元、和換能器組；太陽能電池板通過FPGA邏輯控制芯片供電。

換能器組包括兩對相互接發超聲波的換能器，處于同一水平面且中線相互垂直，分別處于X軸和Y軸。

上位機經FPGA邏輯控制芯片，通過多路選擇器選擇換能器。

上位機經FPGA邏輯控制芯片和TDC時差測量單元，通過驅動發射電路激發換能器組接發超聲波，換能器組接收超聲波產生的電信號經接收調理電路返回TDC時差測量單元。

TDC時差測量單元根據接發超聲波的電信號檢測超聲波的傳輸時間，并反饋給FPGA邏輯控制芯片；

FPGA邏輯控制芯片根據傳輸時間計算分別處于X軸和Y軸上的風速，結合兩組風速計算風向，并反饋給上位機；

圖1是本實施例中的換能器布置的結構示意圖，包括四個超聲波換能器1、2、3、4，四個探頭水平方向垂直排列。