張述杰，王進(jìn)丹

（沈陽航空航天大學(xué) 遼寧 沈陽 110136）

地鐵隧道中通風(fēng)排煙設(shè)施的風(fēng)機(jī)及其相關(guān)控制器需要定期檢查，設(shè)施是否保持良好的性能是地鐵安防至關(guān)重要的問題。隧道狹長、設(shè)備高置、人工檢修與維護(hù)困難，該系統(tǒng)便會很好地解決以上難題。由公式E=V風(fēng)×S面（V風(fēng)表示風(fēng)速，S面表示隧道橫截面積，E表示排氣量）可知，排氣量的測量就是對風(fēng)速的測量，風(fēng)速的測量需要解決以下兩個問題：1）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)的搭建，合理配置傳感器架構(gòu)才能準(zhǔn)確測量風(fēng)速。2）如何消除測量過程中產(chǎn)生的誤差，以提高測量精度是至關(guān)重要的[1]。

1 原 理

系統(tǒng)采用發(fā)射端一只超聲波傳感器S，接收端兩只超聲波傳感器R1、R2構(gòu)成等腰三角形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中R1、R2平行于隧道方向，設(shè)風(fēng)速為V風(fēng)。

這里假設(shè)風(fēng)速方向?yàn)镽2→R1，則：

圖1 超聲波傳感器構(gòu)架圖Fig.1 Structure diagram of ultrasonic sensors

由公式（5）可知，只要精確測量出時間差Δt，就可以計算出風(fēng)速V風(fēng)，從而得出排氣量E。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)的核心處理器采用ARM7系列的LPC213x，片上資源比較豐富，適合本系統(tǒng)[2]。發(fā)射電路：系統(tǒng)有ARM產(chǎn)生40 kHz的方波信號，一路經(jīng)過時鐘電路處理得到相同頻率的正弦信號，經(jīng)過發(fā)射電路的放大驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波信號，另一路方波信號經(jīng)過倍頻電路將信號放大到4 MHz用以給A/D、FIFO提供時鐘信號。接收電路：由超聲波接收器接收超聲波信號，經(jīng)接收電路放大濾波，經(jīng)A/D、FIFO采集超聲波信號，ARM從FIFO讀取數(shù)據(jù)并結(jié)合溫度補(bǔ)償計算出排氣量，得到的結(jié)果由485總線送到上位PC機(jī)。

圖2 地鐵隧道通風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)排氣量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of detection system in subway tunnel exhaust fan displacement

2.1 超聲波放射端電路

發(fā)射端電路如圖3所示，ARM產(chǎn)生的40 kHz的方波信號送入L、C網(wǎng)絡(luò)得到40 kHz的正弦波信號，送入由運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大驅(qū)動電路，提高驅(qū)動能力，驅(qū)動超聲波發(fā)生器產(chǎn)生連續(xù)的超聲波信號。

圖3 發(fā)射端電路圖Fig.3 Circuit diagram of transmitting terminal

由于系統(tǒng)采要利用兩路信號的相位差得到時間差進(jìn)而得到排氣量，所以統(tǒng)一時鐘可以精確地同步信號采集處理，因而A/D、FIFO的采樣時鐘由ARM同一時鐘產(chǎn)生的40 kHz信號經(jīng)倍頻電路提供。倍頻電路采用高速鎖相環(huán)將ARM產(chǎn)生的40 kHz信號倍頻到4 MHz。

2.2 超聲波接收端信號預(yù)處理電路

系統(tǒng)接收端預(yù)處理電路如圖4所示。

圖4 接收端信號預(yù)處理電路圖Fig.4 Circuit diagram of receiver signal preprocessing

超聲波經(jīng)過空氣傳播到接收端時，信號一般為mV級別，并與噪聲信號疊加到一起[3]。為了給A/D提供合適的輸入電壓并將初步濾除噪聲干擾，這里采用兩個運(yùn)算放大器組成的放大、帶通濾波電路，第一個運(yùn)算放大器設(shè)計為LPF，第二個設(shè)計為HPF，得到中心頻率為40 kHz的帶通濾波電路。

2.3 超聲波接收端信號采集電路

系統(tǒng)接收端信號采集電路如圖5所示。

經(jīng)過預(yù)處理電路的信號送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器采用TLC5510A，是美國TI公司生產(chǎn)的8位高阻抗并行的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單電源+5 V供電，最大采樣頻率20MSPS，輸入量程2～4 V，TLC5510A采用半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，大大減少器件中比較器的數(shù)量，并在高速轉(zhuǎn)換的同時能夠保持較低的功耗，適合本系統(tǒng)的設(shè)計。高速采樣后的數(shù)據(jù)直接提供給處理器處理，處理器處理不及時會造成數(shù)據(jù)丟失，所以先將數(shù)據(jù)先送入FIFO，處理器從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)最后經(jīng)過串行通信總線送到上位機(jī)[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：超聲波發(fā)射子程序、接收子程序、誤差處理子程序、排氣量計算子程序及數(shù)據(jù)串行通信子程序，程序流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)由發(fā)射子程序控制發(fā)射電路發(fā)射超聲波信號，延時一段時間使超聲波信號趨于穩(wěn)定后分兩次接收兩路超聲波信號，將接收到的信號經(jīng)過誤差處理子、排氣量計算子程序得到排氣量結(jié)果，最后通過串行通信送到上位機(jī)，其中誤差處理需要使用軟件算法，可以有效提高測量精度[5]。本系統(tǒng)采用哥拉布斯與改進(jìn)的相關(guān)算法結(jié)合的方法，有效剔除異常數(shù)據(jù)及高斯白噪聲的干擾，很好地提高了測量精度。

3.2 信號處理算法

圖5 接收端信號采集電路圖Fig.5 Circuit diagram of receiver signal acquisition

圖6 軟件設(shè)計的流程圖Fig.6 Flow chart the software design

由公式（6）可以看出，測量風(fēng)速的精確度主要由 Δt、C、L 3個因素決定。

C:超聲波傳播速度C=331.5+0.607T，可以看出C主要與溫度T有關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計中加入溫度補(bǔ)償，可以減少由C產(chǎn)生的誤差。

L:主要由傳感器的工藝制作有關(guān)，只能盡量提高工藝制造水平，另外，在理想無風(fēng)的條件下，Δt=0，如果測試時不為零，可以在軟件中加入補(bǔ)償，以消除這部分誤差。

Δt:這是本系統(tǒng)的核心部分。要準(zhǔn)確測量時間差，需要剔除誤差，誤差主要包括3類：系統(tǒng)誤差、隨即誤差、過失誤差，其中過失誤差對整個系統(tǒng)的測量精度影響最大，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，首先應(yīng)該剔除的也是過失誤差[6]。本系統(tǒng)采用改進(jìn)的格拉布斯準(zhǔn)則對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

格拉布斯準(zhǔn)則[7]：

g（n，α）是為與n、α有關(guān)的系數(shù)，可以通過查表得到相應(yīng)的值，α為危險系數(shù)，也可以說是出現(xiàn)錯誤的概率，有3個值：1%，2.5%，5%，具體取值要看實(shí)際情況。

接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過格拉布斯法則濾除過失誤差后，再應(yīng)用最小二乘法非線性校正法，進(jìn)一步消除系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，最終擬合成一個周期的有用信號。

Matlab驗(yàn)證算法仿真結(jié)果：

由表1可見，精確度都在1%以下，符合設(shè)計要求。

圖7 兩路信號處理對比圖Fig.7 Contrast figure of Two signal processing

表1 仿真結(jié)果Tab.1 Simulation result

4 結(jié) 論

地鐵隧道中的風(fēng)速一般為20 m/s以下，試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)適合地鐵隧道中排煙風(fēng)機(jī)排氣量的監(jiān)測，系統(tǒng)結(jié)合的軟件算法很好地消除了測量過程中的誤差，使得測量結(jié)果更加精確。

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