[实用新型]一种基于FPGA和TDC‑GP22的高精度测风仪

说明书

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。