CN117783571B - 一种超声波风速仪的工作电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及风速探测领域，具体提供了一种超声波风速仪的工作电路，该电路包括电源模块、通讯模块、存储模块、处理模块、滤波放大模块、执行模块，执行模块与处理模块、滤波放大模块、电源模块连接，执行模块包括第一超声波换能器和第二超声波换能器，用于接收处理模块的驱动信号和切换信号，以改变第一超声波换能器和第二超声波换能器的状态，滤波放大模块与处理模块和电源模块连接，处理模块与电源模块、通讯模块、存储模块连接，驱动信号的驱动电压小于15vpp。本申请中使用低压驱动电路进行驱动，不会产生回声信号的畸变，因此探测结果更准确。安全性和远程测量能力较好。
Description
技术领域
本申请涉及风速探测领域，具体而言，涉及一种超声波风速仪的工作电路。
背景技术
超声波风速探测仪是一种用于测量空气流速的仪器，它利用超声波时差法原理来测量风速。超声波时差法测量风速的原理基于超声波在空气中传播时受到风速影响的特点。具体原理可以概括为以下几个步骤：1、超声波发射与接收：超声波传感器分别设置在测量路径的两端，一端发射超声波，另一端接收。2、超声波传播时间测量：分别测量超声波顺风和逆风传播的时间。当超声波顺着风向传播时，其传播时间会比静止空气中的传播时间短；相反，当超声波逆着风向传播时，其传播时间则会变长。3、时差计算：计算超声波在顺风和逆风条件下的传播时间差。这个时间差与风速成正比。4、风速计算：通过测得的时差，可以计算出风速。
超声波时差法测量风速的优点在于它不受温度、湿度、气压等环境因素的影响，能够提供精确的风速测量结果。同时，这种方法也能够提供连续、实时的风速数据，对于气象观测、环境监测等领域非常有用。
在超声波风速仪中，用于激发超声波传感器的发射器，使其产生超声波脉冲的电路称为驱动电路。现有的超声波风速仪电路中，利用高压驱动电路产生高频高压脉冲，当高压信号施加在超声波换能器上时，可能会产生一定的安全隐患。若使用快速高压开关电路替代电压限制器，会导致较大的安全隐患，且功率效率较低，有效信号接收距离短。因此，现有的超声波电路会引起回声信号造成畸变，并降低时域分辨率，使得探测结果准确度降低；存在较大安全隐患；有效信号传播距离较短。
综上所述，由于回声信号畸变的存在，现有的超声波风速仪工作电路的探测准确度较低；同时，安全性和远程测量能力较差。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种超声波风速仪的工作电路，以解决现有技术中由于回声信号畸变的存在，现有的超声波风速仪工作电路的探测准确度较低；同时，安全性和远程测量能力较差的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本申请提供一种超声波风速仪的工作电路，该电路包括电源模块、通讯模块、存储模块、处理模块、滤波放大模块、执行模块，执行模块与处理模块、滤波放大模块、电源模块连接，执行模块包括第一超声波换能器和第二超声波换能器，用于接收处理模块的驱动信号和切换信号，以改变第一超声波换能器和第二超声波换能器的状态，滤波放大模块与处理模块和电源模块连接，处理模块与电源模块、通讯模块、存储模块连接，驱动信号的驱动电压小于15vpp。
更进一步地，执行模块包括双路独立驱动模块和接收发送切换模块，双路独立驱动模块与接收发送切换模块连接，双路独立驱动模块用于驱动对应连接的第一超声波换能器或第二超声波换能器发射超声波。
更进一步地，接收发送切换模块接收切换信号，用于切换第一超声波换能器和第二超声波换能器的状态，第一超声波换能器和第二超声波换能器在第一状态和第二状态下依次切换。
更进一步地，第一状态为：第一超声波换能器与双路独立驱动模块连通，第二超声波换能器与滤波放大模块连通，第一超声波换能器处于发射状态，第二超声波换能器处于接收状态；第二状态为：第二超声波换能器与双路独立驱动模块连通，第一超声波换能器与滤波放大模块连通，第二超声波换能器处于发射状态，第一超声波换能器处于接收状态。
更进一步地，第一超声波换能器与第一光电耦合器、第二光电耦合器、第三光电耦合器、第四光电耦合器连接；第一光电耦合器和第三光电耦合器与双路独立驱动模块连接；第二光电耦合器和第四光电耦合器与滤波放大模块连接。
更进一步地，第二超声波换能器与第五光电耦合器、第六光电耦合器、第七光电耦合器、第八光电耦合器连接；第六光电耦合器和第八光电耦合器与双路独立驱动模块连接；第五光电耦合器和第七光电耦合器与滤波放大模块连接。
更进一步地，电源模块包括第一电源、第二电源、第三电源、第四电源；第二电源的电压小于第一电源的电压，第三电源的电压小于第二电源的电压。
更进一步地，第一电源的电压为12V，第二电源的电压为5V，第三电源的电压为3.3V。
更进一步地，第一电源与第二电源连接，第二电源与第三电源和第四电源连接。
更进一步地，第三电源与处理模块、通讯模块、存储模块连接；第四电源与滤波放大模块连接，第四电源与双路独立驱动模块连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本申请中使用低压驱动电路进行驱动，不会产生回声信号的畸变，因此探测结果更准确。低压驱动电路在超声传感器驱动电路中可确保稳定的驱动效果和准确的信号，适用于风速和风向的测量。低压驱动方式不仅安全，而且能提供稳定和准确的信号。功率效率较高，在低压驱动条件下，能够接收到远距离的有效信号，有效信号传播距离更远，实现长距离测量，测量距离大于等于8米。解决探测准确、安全问题的同时，实现了远距离有效信号的接收，这在超声波应用领域具有重要的技术价值和使用前景。
附图说明
图1为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路的示意图；
图2为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中接收发送切换模块的示意图；
图3为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中接收发送切换模块的原理图；
图4为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中双路独立驱动模块的原理图；
图5为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中滤波放大模块的原理图；
图6为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中处理模块的原理图；
图7为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中存储模块的原理图；
图8为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中通讯模块的原理图；
图9为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中第一电源的原理图；
图10为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中第二电源的原理图；
图11为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中第三电源的原理图；
图12、图13、图14为本发明提供的一种超声波风速仪的工作电路中第四电源的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
本发明提供了一种超声波风速仪的工作电路，如图1所示，该电路包括电源模块、通讯模块、存储模块、处理模块、滤波放大模块、执行模块。电源模块用于为其他模块提供电源；通讯模块用于输出风速信号和接收控制信号，可以为485通信接口模块；存储模块用于存储数字信号，可以为64kRAM模块；处理模块用于模数转换和信号处理；滤波放大模块用于对回波信号进行滤波和放大；执行模块包括双路独立驱动模块和接收发送切换模块，其中，双路独立驱动模块用于驱动超声换能器，使其发射超声波信号，接收发送切换模块用于切换超声波换能器的工作状态，也就是使得超声波换能器在发射和接收信号两个状态之间进行切换。
电源模块包括第一电源、第二电源、第三电源、第四电源。第一电源与第二电源连接，第二电源与第三电源和第四电源连接。第三电源的电压低于第二电源，第二电源的电压低于第一电源；具体地，第一电源输出直流电的电压为12V，输出12V直流电源给第二电源；第二电源输出直流电的电压为5V，输出5V直流电源给第三电源和第四电源；第四电源为执行模块中的双路独立驱动模块和滤波放大模块供电；第三电源输出直流电的电压为3.3V，为存储模块、通讯模块、处理模块供电。这样，一方面满足了电路中不同元件的电压需求；另一方面，逐步降低电压避免了芯片发热严重的问题。
本申请中的第一超声波换能器和第二超声波换能器使用低压驱动的方式，具体地，驱动信号驱动第一超声波换能器和第二超声波换能器产生超声波，双路独立驱动模块的驱动方式使得驱动电压更低，从而避免了回声信号造成畸变，降低分辨率，探测结果的准确率较高。同时，低压驱动的方式提升了安全性以及远程测量能力，测量距离大于等于8米。本申请施加在超声波换能器上的电压小于等于15vpp，也就是，驱动信号对应的电压小于等于15vpp；高压驱动的效果与本申请相同时，需要的电压为1500vpp，相对较危险；虽然本申请的电压较低，但信噪比较高，信号不易淹没在噪声中。这是由于本申请方案中使用低噪声的运算放大器和高品质的电阻、电容等元件减少了电路本身产生的噪声；减少接地回路的面积减少了由电磁干扰引起的噪声；使用稳定的噪声小的电源，电源的波动和噪声会直接影响放大电路的性能；本申请方案从上述三个方面提升信噪比。
本申请中包括两个超声波换能器，分别为第一超声波换能器和第二超声波换能器，两个超声波换能器都具有发射超声波信号和接收超声波信号的功能，即第一超声波换能器有发射状态和接收状态两个状态，第二超声波换能器也具有发射状态和接收状态两个状态；与双路独立驱动模块连接的对应超声波换能器处于发射状态，与滤波方法模块连接的超声波换能器处于接收状态。探测风速时，首先，第一超声波换能器与双路独立驱动模块连通，处于发射状态，第二超声波换能器与滤波放大器连接，处于接收状态；在第二超声波换能器接收到回波信号后，将第二超声波换能器与双路独立驱动模块连接，使得第二超声波换能器处于发射状态，将第一超声波换能器与滤波放大模块连接，处于接收状态；在第一超声波换能器接收到回波信号的同时，再次更换第一超声波换能器的接口，也就是改变第一超声波换能器的状态，对应改变第二超声波换能器的状态；第一超声波换能器和第二超声波换能器其中一个状态为发射状态，另一个为接收状态，依次进行切换。这样，超声波的传播方向在顺风和逆风之间切换，能够得到准确的顺风数据和逆风数据，从而，探测的风速更准确。具体地，超声波在空气中的传播速度会受到温度、气压等多种因素的影响，本申请测量顺风和逆风风速是为了在计算中将声速这个影响因子消除掉，消除声速之后就无需对这些参数进行采集后去补偿风速了，探测结果更准确。第一个超声波换能器和第二超声波换能器的接收、发送状态的切换示意图如图2所示，利用八个光电耦合器实现第一超声波换能器和第二超声波换能器与双独立驱动模块和滤波放大模块的连通和断开。
接收发送切换模块中的电路的作用为根据处理模块的信号（指令）将第一超声波换能器和第二超声波换能器对应连接到双路独立驱动模块和滤波放大模块。具体地，接收发送切换模块与双路独立驱动模块连接，用于驱动接收发送切换模块中的第一超声波换能器和第二超声波换能器发射超声波；接收发送切换模块与滤波放大模块连接，用于将第一超声波换能器和第二超声波换能器接收到的回波信号传输到滤波放大模块，进行滤波和放大处理；接收发送切换模块与处理模块连接，用于接收处理模块发送的切换控制信号。接收发送切换模块无需向处理模块发送信号，接收发送切换模块由处理模块按固定时间发送切换信号，切换信号的间隔时间固定，间隔时间大于等于超声波由一个超声换能器到另一个超声换能器的飞行时间，具体由示波器采集信号观察的波形得到。
具体地，如图2所示，第一超声波换能器的正极连接第一光电耦合器和第二光电耦合器的一端；第一光电耦合器的另一端与双路独立驱动模块的正极连接，第二光电耦合器的另一端与滤波放大器的正极连接。第一超声波换能器的负极连接第三光电耦合器和第四光电耦合器的一端；第三光电耦合器的另一端与双路独立驱动模块的负极连接，第四光电耦合器的另一端与滤波放大器的负极连接。第二超声波换能器的正极连接第五光电耦合器和第六光电耦合器的一端；第五光电耦合器的另一端与滤波放大器的正极连接，第六光电耦合器的另一端与双路独立驱动模块的正极连接。第二超声波换能器的负极连接第七光电耦合器和第八光电耦合器的一端；第七光电耦合器的另一端与滤波放大器的负极连接，第八光电耦合器的另一端与双路独立驱动模块的负极连接。本申请中使用了光电耦合器实现通断，能够实现长时间、高频率的通断；且寿命较长；同时，还不易产生火花，安全性能较高。
更具体地，接收发送切换模块的电路图如图3所示。光电耦合器KQY12S和KQY214S有四个引脚，分别标为“1”（阳极）、“2”（阴极）、“3”（发射极）、“4”（集电极）。“CSB1”和“CSB2”分别表示第一超声波换能器和第二超声波换能器，U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8为八个光电耦合器，分别对应图2中的第一光电耦合器、第三光电耦合器、第六光电耦合器、第八光电耦合器、第二光电耦合器、第四光电耦合器、第五光电耦合器、第七光电耦合器。“CSB1 P”、“CSB1 N”、“CSB2 P”、“CSB2 P”分别连接到KQY12S和KQY214S的“4”号脚。KQY12S和KQY214S的发射极引脚分别连接到“+VP”、“-VP”、“AIN P”、“AIN N”。KQY12S和KQY214S的阴极通过电阻R37、R38、R39和R40连接到不同的AO3400。KQY12S和KQY214S的“1”号引脚连接到“VL”接口。晶体管Q1、Q2、Q3和Q4的“2”号引脚连接到地线（“GND”）。晶体管Q1、Q2、Q3和Q4的“3”号引脚通过电阻R37、R38、R39和R40分别连接到KQY12S和KQY214S的“2”号引脚。晶体管Q1、Q2、Q3和Q4的“1”号引脚通过电阻R51、R108、R52、R109、R53、R110、R55和R111分别连接到“KQin1”、“KQ in2”、“KQ out1”和“KQ out2”接口。电阻R51和电阻R108之间通过电容C93连接“GND”，电阻R52和电阻R109之间通过电容C94连接到“GND”，电阻R53和电阻R110之间通过电容C95连接到“GND”，电阻R55和电阻R111之间通过电容C96连接到“GND”。Q1的“1”号、“2”号引脚之间使用电阻R92连接，Q2的“1”号、“2”号引脚之间使用电阻R93连接，Q3的“1”号、“2”号引脚之间使用电阻R94连接，Q4的“1”号、“2”号引脚之间使用电阻R95连接。
双路独立驱动模块与处理模块连接，接收处理模块发送的驱动信号，具体地，接收处理模块中的PWM信号，用于分别驱动第一超声波换能器和第二超声波换能器。两路驱动电路中的一路为正信号，另一路为负信号，共同驱动换能器，这样，两路信号互不干涉，驱动信号更趋于理想化，效率更高；同时，相比于常用的变压器驱动换能器，需要的驱动电压更低，信号不容易畸变，更准确。
双路独立驱动模块的电路如图4所示。U15是一个有八个引脚的集成电路（IC），型号为EG27324。它的第“1”引脚悬空，第“2”引脚连接到“U16”第“4”引脚，第“3”引脚连接到“GND”，第“4”引脚连接到“U16”第“6”引脚和第“3”引脚，第“5”引脚通过电容C49连接到一个标记为“-VP”的电源线，第“6”引脚是“V”引脚连接到“+HV”，连接到一个标记为“-VP”的电源线，第“7”引脚通过C50连接到“+HV”第“8”引脚连接到电阻R25的一端，电阻R25另一端连接到单片机“K PWM”信号线。“U16”是一个六引脚的IC，型号不做限定，可以为74LVC2G04。其第“1”引脚连接到电阻R27的一端，电阻R27的另一端连接到PWM信号线，第“2”引脚连接到“GND”，第“3”引脚连接到“U15”的“IN2”，第“4”引脚连接到“U15”的“IN1”，电阻R4连接到“3.3V”和“GND”，与电容C33串联，第“5”引脚连接到电阻R4与电容C33中间，第“6”引脚连接到“U15”的“IN2”接口。整个电路电源线包括“+VP”、“+HV”和“3.3V”。地线标记为“GND”。EG27324为双路结构，其中输入为“IN1”和“IN2”两路，输出为“O1”和“O2”两路；这样，驱动信号更趋于理想化，效率更高，不需要使用高的驱动电压，低电压就可以使超声波换能器达到一个很高的工作状态，相比于常用的变压器驱动换能器，需要的驱动电压更低，信号不容易畸变，更准确。
滤波放大模块：接收发送切换模块中的超声波换能器与滤波放大器连接时，接收超声波换能器的回波信号，对回波信号进行滤波和放大，然后将信号输出给处理模块；滤波放大器的电源由第四电源提供。首先，滤波功能能够让特定频率的信号通过，同时抑制不需要的频率信号，抑制的信号为散射光等杂散信号；从而分离出特定信号。放大功能使得信号的强度增大，使信号在传输或处理过程中保持足够的强度，以免被噪声所掩盖，有效提升信噪比。
滤波放大模块的电路如图5所示，左侧是电源接口，标有“AIN N”和“AIN P”为模拟输入信号的负极和正极。“AIN N”通过一个电容C18（电容值为10000pF）接地。“AIN_P”通过一个相同的电容C21也接地，以及通过电容接到一个二极管D21的阳极，该二极管的阴极连接到一个电阻R58（20K欧姆）和另外一个二极管D22的阳极。R59是一个阻值为20K欧姆的电阻，它的一端连接到D22的阴极，另一端接地。电阻R58和电阻R59之间的连接点连接“GND”。“U22”是AD8421型号的运算放大器。运算放大器标记为“-”的引脚接C18另一端，运算放大器标记为“+”的引脚接电容C21另一端，电阻R33和电阻R99并联，两端分别连接在“U22”的“RG”端，“U22”的“REF”端连接到“GND”。运放的“V+”端连接到“3.32V”的电源，“V-”端连接到“-4.02V”的电源。这样的电路配用于信号的放大处理，AD8421是一个高精度的仪器放大器，用于放大小信号。二极管和电容是用于信号的整流滤波。电容C19一端连接到“U22”，另一端连接到电阻R74一端，电阻R74另一端通过电阻R42接地。运算放大器“U9A”的“-”端连接到一个电阻R82和电容C12串联再与电容C10的并联的结构，另一端通过电阻R42接地，“U9A”连接到“+AV2”电源。“U9A”的“+”端接地；“U9A”的输出端连接到电容C20，同时连接到电容C10和电阻R82之间，并通过电阻R57连接到另一个运算放大器“U10B”的“+”端。运算放大器“U9B”的“-”端连接到电阻R83和电容C13串联再与电容C11并联的结构，另一端通过电阻R43接地，“U9B”的“+”端接“+AV3”，它的输出端经过电阻R29和电阻R116接到“AIN MCU”标记的点，同时，这个点也通过电容C7接地，电阻R34一端连接到电容C20一端，另一端连接到电阻R29和电阻R116之间。运算放大器“U10A”的“-”端连接到“+AV5”，“+”端通过R56连接到“U9B”，还通过电容C5连接到“GND”，“+”端连接到“+AV4”，“-”端连接到“GND”，输出通过电阻R35连接到“AL MCU”和电容C8的一端，电容C8另一端连接到“GND”。“U10B”的输出端通过电阻R36连接到“AH MCU”标记的点，同时通过电容C9接地。“U10B”的“+”端通过电容C6接地，并且通过电阻R57连接到“U9A”和“U9B”。电路图中的其他电阻和电容主要用于设定运算放大器的增益和过滤器特性。
处理模块：与第三电源的输出连接，用于供电。处理模块与滤波放大模块连接，用于接收滤波放大模块的输出信号，对信号进行模数转换，将电信号转化为数字信号，将数字信号进行数据处理计算出风速，将风速结果输出给通讯模块。处理模块与通讯模块和存储模块连接，用于存储数据。处理模块与双路独立驱动模块连接，用于发送驱动信号；处理模块与接收发送切换模块连接，用于向接收发送切换模块发送切换信号。具体地，驱动信号和切换信号的发送由单片机内部定时器控制，在固定的时间点进行发射和接收操作。
处理模块的电路如图6所示，U11A是一个单片机，“PA1”、“PA2”、“PA3”、“PA7”、“PC6”、“PC7”引脚分别连接了电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R13、电阻R14、电阻R15的一端。“PA8”连接“SW2”， “PA9”连接“LED1”，“PA10”连接“LED2”，“PA11”连接“LED3”， “PA12”连接“LED4”，“PA13”连接“SWDIO”，“PA14”连接“SWCLK”， “PC3”连接“AIN MCU”，“PC8”连接“KZ EN”，“PC9”连接“SW1”， “PE2”连接“KQ in1”，“PE3”连接“KQ in2”，“PE4”连接“KQout1”，“PE5”连接“KQ out2”，“PE8”连接“SPI CS”，“PE9”连接“SPI MISO”，“PE10”连接“SPIWP”，“PE11”连接 “SPI MOSI”，“PE12”连接“SPI CLK”，“PB13”通过电阻R17连接到“SYNC”，“PB14”通过R18连接到PWM，“PB15”通过R19连接到“SYNC”，“PD15”通过电阻R16连接到“RS”，PH12连接到“XT P”，PH13连接到“XT N”，“NRST”通过电阻R66连接到“RST”，“VCAP_1”通过电容C54连接到“GND”，“VCAP_2”通过电容C55连接到“GND”。晶振Y1两端分别通过电容C1与电容C2连接到“BOOT0”，一般地，两个电容的大小相同，这样振荡过程中的损耗更小。
晶振和两个电容构成晶振电路，用于提供一个稳定的时钟信号。单片机是一种微型计算机，它包括CPU、内存和输入输出端口等，这些部件需要同步工作，而晶振提供了同步的时钟信号。晶振有如下作用：1.提供时钟信号：晶振产生的频率非常稳定，可以为单片机提供一个恒定的时钟信号。这个信号用于控制单片机内部操作的时序，如指令的执行、数据的传输等。2.决定处理速度：晶振的频率直接影响到单片机的处理速度。频率越高，单片机的工作速度通常也越快。3.保证时间精度：在需要精确计时的应用中，如定时/计数器功能，晶振提供的稳定时钟信号保证了时间的精度，定时/计数器功能影响此设计的PWM输出。4.***稳定性：一个高质量的晶振可以保证在不同的工作环境下（如温度变化、电压波动等），单片机能够稳定工作。同时，电容器可以在晶振电路中起到滤波的作用，能够抑制由于电源波动或其他环境因素引起的杂散噪声，从而提高时钟信号的纯净度，同时提升了低压驱动下的信噪比；晶振电路中的电容不仅对保持振荡频率的精确和稳定至关重要，还有助于电路的启动、稳定性维护和噪声抑制。具体地，在晶振电路中，电容起到如下作用：1.稳定振荡频率：晶振（石英晶体振荡器）本身具有非常高的频率稳定性，通过与电容配合使用，能够进一步优化电路的谐振频率。电容与晶振形成LC振荡回路，电容的值会影响回路的谐振频率。这种配置使得晶振电路能够在一个非常精确和稳定的频率上工作。2.相位调整：晶振电路中的电容还有助于调整振荡波形的相位，这对于确保振荡器正常启动并维持稳定振荡是非常重要的。通过调整电容的值，可以影响振荡器的启动时间以及其在不同工作条件下的稳定性。3.温度补偿：高精度晶振电路会使用温度补偿电容，以减少温度变化对振荡频率的影响。电容帮助电路保持在相对固定的频率上，即使环境温度发生变化，频率也保持不变。4.负载电容：晶振规格通常会指定一个负载电容值，这是确保晶振在设计频率上正常工作所需的电容值。晶振两端并联的电容（通常有两个，分别连接到地）就是负载电容，它们对晶振的频率稳定性和起振条件有直接影响。5.减少噪声：在电源线和晶振电路之间添加旁路电容（去耦电容）有助于过滤掉电源噪声，从而提高电路的整体稳定性和性能。
通讯模块、存储模块、第一电源、第二电源、第三电源的电路原理图如下所示：
存储模块的电路原理图，如图7所示。U13是一个八引脚的集成电路（IC），型号不作具体限定，可以为FM25CL64B-GTR。其第“1”引脚连接到通过R60的“3.3V”接口，通过R20连接到标记为“SPI CS”的信号线。第“2”引脚通过R61连接到“GND”，通过R21连接到标记为“SPIMISO”的信号线。第“3”引脚通过R63连接到“GND”，通过R23连接到标记为“SPI WP”的信号线。第“4”引脚连接到“GND”。第“5”引脚通过R65连接到“3.3V”，通过R24连接到标记为“SPIMOSI”的信号线。第“6”引脚通过R64连接到“3.3V”，通过R22连接到标记为“SPI CLK”的信号线。第“7”引脚通过R62连接到“3.3V”。第“8”引脚通过R1连接到“3.3V”，通过C30连接到“GND”。R20、R21、R23、R22和R24是与SPI通信相关的电阻，它们分别标记为“SPICS”、“SPIMISO”、“SPIWP”、“SPICLK”和“SPIMOSI”。R60、R61和R63是连接到U13第“1”、第“2”和第“3”引脚的拉电阻，保证了这些引脚在未连接信号时有确定的电压水平。R1是连接到U13第“8”引脚的一个电阻，与C30电容并联，用于稳定电源。
通讯模块的电路原理图，如图8所示。U14是一个八引脚的集成电路（IC），本实施例型号为SP3485EN，用于RS-485通信。它的第“1”引脚（RO）通过R46连接到一个标记为“RX”的信号线，第“2”引脚（RE）通过R67连接到“GND”，连接到一个标记为“RS”的信号线，第“3”引脚（DE）通过R67连接到“GND”，连接到一个标记为“RS”的信号线，第“4”引脚（DI）通过R50连接到第三电源。第“5”引脚（GND）直接连接到“GND”，第“7”引脚（B）和第“6”引脚（A）分别通过R50和R51连接到标记为“D-”和“D+”的差分信号线。第“8”引脚（VCC）通过R2连接到“3.3V”电源，D1是一个发光二极管（LED），用于指示通信活动，其阳极连接到第一电源，阴极通过R46连接到U14的“R”引脚。R67是一个拉至地的电阻，用于确保U14的“RE”引脚在未激活时保持在低电平。D12是一个发光二极管（LED），用于指示通信活动，其阳极连接到第三电源，阴极通过R50连接到U14的“D”引脚。C98一端连接在第三电源，另一端连接“GND”。C99和R2串联后一端连接在第三电源，另一端连接“GND”，电容C31一端连接在电容C99和电阻R2之间另一端连接“GND”。C45、C47是电容，它们与电阻和集成电路一起工作，用于稳定电源或信号。SM712是一个双向瞬态电压抑制器（TVS），用于保护“D+”和“D-”信号线。F2和F3是保险丝，用于过流保护。D13是一个二极管，用于保护F3前的电路。
第一电源的电路原理图，如图9所示。Q5是一个PMOS晶体管，其源极（“S”）通过F5、D4、D5和D6连接到标记为“PW+”的电源线。F5是一个PTC复位保险丝，连接在“PW+”电源线上，用于过流保护。D4、D5和D6是二极管，串联在F5之后，用于整流和保护。漏极（“D”）通过FB1和FB2连接到标记为“12V”的电源线。它的栅极（“G”）通过R90连接到一个标记为“PW-”的电源线。FB1、FB2、FB3和FB4是磁珠，它们分别串联在电容C14、电容C16、电容C13和“GND”线路上，用于抑制高频噪声。C14、C15、C16和C17为电容，分布在电路中的不同位置，用于电源稳定或去耦。位于电容C14和电容C15之间的磁珠，用于额外的噪声抑制；这样信号的信噪比较好。二极管D14，连接在第一电源的电源线上，用于电压整流或逆向电流保护。0251001.NRTL是一个保险丝，连接在第一电源的电源线上，用于过流保护。
第二电源的电路原理图，如图10所示。U19是一个具有六引脚的开关调节器集成电路，本实施例采用的型号为BL9342。BST（“1”脚）通过电容C36与SW（“6”脚）连接，G（“2”脚）直接连接到GND，通过R84和R97电阻连接到“5V”输出线，F（“3”脚）通过C3电容连接到5V输出线，E（“4”脚）通过D15电阻连接到“GND”，IN（“5”脚）直接连接到“12V”。引脚SW（“6”脚）通过D10连接到“GND”，电感L2的一端与电容C36的一个引脚和二极管D10的阳极相连，另一端与“5V”输出相连。D10是一个二极管，其阳极连接到L2，阴极连接到“5V”输出线。C68、C69和D16三个元件并联，分别与“5V”输出线和“GND”相连。电容C65和电容C37并联，分别与“12V”电源线和“GND”相连。电容C38一端连接U19的“4”引脚，另一端连接GND。电阻R91和电阻R87串联，分别“12V”电源线和“GND”相连。
第三电源的电路原理图，如图11所示。U21是一个集成电路，本申请实施例中的型号为BL8028CBSTR，用于电压转换。集成电路U21有五个引脚：EN（“1”脚）连接到5V输入；G（“2”脚）直接连接到地线“GND”；SW（“3”脚）连接到电感L3；V（“4”脚）通过电阻R60连接到“5V”输入；FB（“5”脚）通过电阻R85连接到地线“GND”。L3为电感，其一端连接到U21的“SW”引脚，另一端连接到“3.3V”输出线。电容C75、电容C43、电容C79、电容C80分别连接在“5V”输入、“3.3V”输出和“GND”之间，用于电压稳定和去耦。电阻R85、电阻R98、电阻R114构成了分压网络，用于设置和稳定U21调节器的输出电压。FB9和FB5是磁珠或者电感，用于抑制噪声，它们分别连接在“3.3V”输出线和“AVDD”之间。电容C44、电容C78、电容C77连接在“AVDD”和“GND”之间，用于去耦。
第四电源的电路原理图，如图12、图13、图14所示。如图12所示，U17和U20是两个线性稳压器（“LDO”），用于将输入电压（“HV+”和“HV-”）转换为-4.02V和3.32V的稳定输出电压。U18是一个开关调节器（本实施例中的型号MT3608）。脚位“IN”（输入）通过电容C59（电容大小为10000000pF）连接到电压源“HV1”。U17脚位“IN”和“EN”（使能）连接到“HV-”，脚位“PG”（功率良好指示）不连接到其他元件。脚位“PGF”（功率故障指示）不连接到其他元件。脚位“GND”（地）直接连接到地。脚位“SET”通过电阻R88（标记为“40.2K”）和C64的并联后连接到地，用于设置输出电压。脚位“IL”通过电阻R68（阻值为10KΩ）连接到地（“GND”），这允许设备操作。脚位“VOIC”并没有连接到其他元件。脚位“O”“OS”连接到“-4.02V”。两个并联的电容C62和C35连接到地。最后，输出电压标记为“-4.02V”，表明LDO输出为负电压。HV-通过一个二极管D7连接到一个电容C57的正极，电容C57的负极“U181”引脚，并与电容C56并联，电容C56的负极同样接地。“HV+”同样通过二极管D9连接到电阻R96和电容C60的并联网络，C60的另一端接地。
R96和C60并联网络的另一端通过电阻R69连接到地（“GND”），R69与电容C61并联，电容C61的另一端也接地。电阻R96、电阻R69和电阻C61并联网络的连接点通过10K电阻接到一个集成电路U18的“2”脚，该脚标记为“GND”。U18是一个六脚的IC，型号MT3608，具有以下引脚功能：“1”脚标记为“SW”，通过D9连接到“HV+”。“2”脚标记为“GND”，如前所述连接到10K电阻。“3”脚标记为“F”，连接到10K电阻另一端“4”脚标记为“E”，连接到“5”脚。“5”脚标记为“IN”，连接到一个电容C66的一端，电容C66的另一端接地。电容C66与电容C67并联，电容C67接地。“6”脚标记为“N”，不连接其他元件。LDO芯片（“U20”）：输入端（“IN”）连接到高压输入（“HV1+”）通过电容C71连接到地“GND”；使能端（“EN”）连接到输入端（“IN”），“IL”通过电阻R73连接到地（“GND”）。输出端（“OUT”）连接到电容C85的一端，电容的另一端连接到“3.3V”输出。
同时，输出端也通过电阻R5和R7连接到“+AV2”的一端。接地端（GND）接到地（“GND”），SET端连接到电容C76的一端，电容的另一端也接到地（“GND”）。旁路电容C72、C73、C74分别从不同的点连接到地（“GND”），用于滤波和去耦。电容C82、电容C39、电容C70连接到不同的供电点和地（“GND”）之间。电感L1一端连接到LDO芯片的输出端（“OUT”）和电容C85、电阻R5和电阻R7；另一端连接到反馈电阻R8和LDO芯片的反馈端（“FB”）。由电阻R70和电阻R71组成的分压器连接在3.3V输出和地（“GND”）之间，用于设定输出电压。另一个电压输出（“+AV3”）通过电阻R72连接到地（“GND”）。
如图13所示，R79和R80的电阻值为10KΩ，它们的一端连接到“3.32V”的电压源，另一端连接到“+AV5”与电容C83和电容C84的一端。R41和R81的电阻值分别为51Ω和10KΩ，两电阻串联，连接在R79和R80与地线（“GND”）之间。C83和C84是电容值为22000000pF的电容，它们的一端分别连接到R80两端，另一端通过C48连接到地线（“GND”）。C48为电容值为100000pF的电容，它连接到“+AV5”，另一端接地。
如图14所示，Q9是一个S9018晶体管，它的集电极（标号“3”）连接到电阻R28和磁珠FB11，发射极（标号“2”）连接到“HV1+”，基极（标号“1”）通过电阻R117连接到电容C100和直接连接电容C101。Q10是一个S9015晶体管，其集电极（标号“3”）通过电阻R26和磁珠FB12连接到“HV-”，发射极（标号“2”）连接到“HV1-”，基极（标号“1”）通过电阻R118连接到电容C102和直接连接电容C103。
本申请中提及到的型号并非对元件的限定，仅作为一种实施例中的示例。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种超声波风速仪的工作电路，其特征在于，所述电路包括电源模块、通讯模块、存储模块、处理模块、滤波放大模块、执行模块，所述执行模块与所述处理模块、所述滤波放大模块、所述电源模块连接，所述执行模块包括第一超声波换能器和第二超声波换能器，用于接收所述处理模块的驱动信号和切换信号，以改变所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器的状态，所述滤波放大模块与所述处理模块和电源模块连接，所述处理模块与所述电源模块、所述通讯模块、所述存储模块连接，所述驱动信号的驱动电压小于15vpp，所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器之间的距离大于等于8米；所述滤波放大模块中，模拟输入信号的负极“AIN_N”连接电容C18的一端，所述模拟输入信号的正极“AIN_P”连接电容C21的一端，所述电容C21的另一端连接运算放大器U22的“+”引脚，所述电容C18的另一端连接所述运算放大器U22的“-”引脚，所述运算放大器U22的型号为AD8421，所述电容C18和所述电容C21的电容值均为10000pF，所述电容C18和所述电容C21连接所述运算放大器U22的一端均连接一个20K欧姆的电阻后接地；
所述执行模块包括双路独立驱动模块和接收发送切换模块，所述双路独立驱动模块与所述接收发送切换模块连接，所述双路独立驱动模块用于驱动对应连接的所述第一超声波换能器或所述第二超声波换能器发射超声波；所述接收发送切换模块接收切换信号，用于切换所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器的状态，所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器在第一状态和第二状态下依次切换；所述第一状态为：所述第一超声波换能器与所述双路独立驱动模块连通，所述第二超声波换能器与所述滤波放大模块连通，所述第一超声波换能器处于发射状态，所述第二超声波换能器处于接收状态；所述第二状态为：所述第二超声波换能器与所述双路独立驱动模块连通，所述第一超声波换能器与所述滤波放大模块连通，所述第二超声波换能器处于发射状态，所述第一超声波换能器处于接收状态；所述双路独立驱动模块中的集成电路U15的型号为EG27324，所述集成电路U15为双路结构，两路驱动电路中的一路为正信号，另一路为负信号，共同驱动第一超声波换能器和第二超声波换能器；
所述第一超声波换能器与第一光电耦合器、第二光电耦合器、第三光电耦合器、第四光电耦合器连接；所述第一光电耦合器和所述第三光电耦合器与所述双路独立驱动模块连接；所述第二光电耦合器和所述第四光电耦合器与所述滤波放大模块连接；所述第二超声波换能器与第五光电耦合器、第六光电耦合器、第七光电耦合器、第八光电耦合器连接；所述第六光电耦合器和所述第八光电耦合器与所述双路独立驱动模块连接；所述第五光电耦合器和所述第七光电耦合器与所述滤波放大模块连接；所述第一超声波换能器的正极连接所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的一端，所述第一光电耦合器的另一端与所述双路独立驱动模块的正极连接，所述第二光电耦合器的另一端与所述滤波放大模块的正极连接，所述第一超声波换能器的负极连接所述第三光电耦合器和所述第四光电耦合器的一端，所述第三光电耦合器的另一端与所述双路独立驱动模块的负极连接，所述第四光电耦合器的另一端与所述滤波放大模块的负极连接，所述第二超声波换能器的正极连接所述第五光电耦合器和所述第六光电耦合器的一端，所述第五光电耦合器的另一端与所述滤波放大模块的正极连接，所述第六光电耦合器的另一端与所述双路独立驱动模块的正极连接，所述第二超声波换能器的负极连接所述第七光电耦合器和所述第八光电耦合器的一端，所述第七光电耦合器的另一端与所述滤波放大模块的负极连接，所述第八光电耦合器的另一端与所述双路独立驱动模块的负极连接；
所述电源模块包括第一电源、第二电源、第三电源、第四电源；所述第二电源的电压小于所述第一电源的电压，所述第三电源的电压小于所述第二电源的电压；所述第一电源的电压为12V，所述第二电源的电压为5V，所述第三电源的电压为3.3V；所述第一电源与所述第二电源连接，所述第二电源与所述第三电源和所述第四电源连接；所述第三电源与所述处理模块、所述通讯模块、所述存储模块连接；所述第四电源与所述滤波放大模块连接，所述第四电源与所述双路独立驱动模块连接。
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