发表于：2012/11/23 10:06:15
#0楼
我国对于积雪的实时检测技术还比较落后，如通过利用卫星来实时监视积雪融化动态，但在实际的运作中，由于地面环境的复杂性存在比较大的误差与缺陷[1]。早在1973年，MrClain等人指出雪的表面反射率可以作为雪深的指示因子[2]，但是由于地表土壤成分各不相同以及表面杂物不同，其检测效果也并不可观。因此，研制一套低功耗高精度的融雪测量仪是有必要的，而且具有广阔的应用前景。
1 总体设计方案
本设计提出以超声波传感器进行积雪厚度的实时监测，采用“渡越时间检测法”进行雪厚的测量。其测量原理为：超声波发射器垂直地向雪表面发射超声波，同时采集板上微控制器内部定时器开始计时，碰到雪面反射回来。当超声波接收器接收到反射波时，定时器就立即停止计时，根据定时值，计算出发射点距雪表面的距离 S。假设设备安装高度为S0，雪厚值为S0-S。最终控制器对采集板进行召测，对采集到的数据处理与分析，并做出相应的预警功能。
2 低功耗的实现方案
低功耗实现方案主要有：控制板的主控制器的选型以及工作模式的选择;控制AT89C2051单片机的工作模式和485通信状态的控制以及设置合理的采样周期。
(1)主控制器的选型及工作模式的选择
控制板的主控制器选择MSP430F149，这是一款16位超低功耗的混合信号处理器。电源电压采用1.8~3.6 V，在2.2 V、1 MHz的时钟条件下运行时，电流仅有160 μA。待机模式：1.6 μA。关闭模式(RAM保持)：0.1 μA。平时让主控制器处于LPM3模式下，CPU停止工作，主时钟关闭，子时钟关闭，内部振荡器关闭，辅导时钟打开，其功耗为2 μA。同时，将TIMER_A的时钟源选为ACLK，当到达定时时间时，用#pragma vector=TIMERA1_VECTOR中断CPU唤醒。具体程序实现方法为：
Void Init_Timer_A()
{
TACTL|=TASSEL_1+TACLR; //选择时钟源为ACLK
TACTL|=MC1+TAIE; //使能定时器A中断
}
_BIS_SR(LPM3_bits+GIE); //Enter LPM3 interrupt
#pragma vector=TIMERA1_VECTOR //中断服务函数
__interrupt void Timer_A(void)
{}
(2)工作模式以及485状态控制
平时单片机处于“空闲方式”状态，当有串口中断唤醒的时候，CPU才开始采集数据。当采集完成后通过RS-485总线发送给控制板(注：RS-485平时处于接收状态，需要发送时才使能发送端口，为了降低功耗)，执行完成后单片机继续“睡觉”。程序实现方法如下所示。
Void Init_Uart()
{
TMOD=0X21;TH1=0XFD;TL1=0XFD;TR1=1;
//波特率发生器的选择
REN=1; //使能接受
SM0=0;SM1=1;
ES=1; //打开串口中断
EA=1; //开总中断
}
Void Init_485()
{
CONTROL_485=0; //使485模块处于接收状态;
}
Void Serial() interrupt 4 //串口中断服务函数
{}
Void Lower_Power()
{
CONTROL_485=0; //使485处于接收状态
PCON=0X01;//使单片机处于“空闲模式”
}
(3)设置合理的采样周期
由于积雪的融化与温度有关，当温度在冰点之下时，积雪不融化。这时候就没必要一直去采集积雪的融化状况，即采集频率可以减小，对于降低功耗是一种有效的方法(根据实际情况可在软件中设定值)。该设计中设定的采样周期如表1所示。
3 高精度的实现方案
高精度的实现方案主要表现为：确定回波检测方案，温度补偿，对采集值进行数字滤波，真实值与测量值之间做线性补偿。
(1)确定回波检测方案
能够快速检测到回波对于提高精度是一个关键点。如果在程序中使用冗余或者复杂的程序后，势必会增加定时器的计数值，从而影响测距精度。下面是该设计中使用的回波检测程序。
C语言程序：
while(SUPERSONIC_IN&&(TF0==0))
{}
TR0=0; //关闭定时器0
反汇编分析：
290： while(SUPERSONIC_IN&&(TF0==0))
C：0x055B 30B703 JNB SUPERSONIC_IN(0xB0.7)，C：0561
C：0x055E308DFA JNB TF0(0x88.5)，C：055B
291： {}
292：
293： TR0=0; //关闭定时器0
C：0x0561 C28C CLR TR0(0x88.4) 一条JNB bit，rel汇编语句执行时间为2个机器周期，一条CLR C汇编语句执行时间为1个机器周期，所以执行一次上述回波检测语句需要5个机器周期，而该设计中使用的晶振为12 MHz，一个机器周期为1 μs，因此需要5 μs。由公式S=VT/2，S为距离，V为波速，T为渡越时间。假设此时的V为340 m/s，得S=0.85 mm，误差在1 mm之内，在设计允许范围之内。
(2)温度补偿
由于超声波波速受到环境温度的影响，需要对波速进行温度补偿，利用数字温度传感器采集环境温度，以便为做成高精度的采集系统做保障。表2列出几种不同温度下的超声波波速[3]。
根据上述表2中数据，可以得出温度补偿公式如式(1)所示：
V=331.5+0.607×T (1)
其中V表示实际波速，T表示环境温度。程序算法如下所示：
float Count_Supersonic_Speed
(UCHAR real_temp)
{
float V1;
V1=real_temp/2+real_temp/10+331+1/2;
return V1;
}
(3)对采集值进行数字滤波
由于实际测量中会出现偶然脉冲干扰，使测得的数值偏差很大，通过防脉冲干扰平均滤波法(Anti-Pulse Interference Average Filtering Method)踢除此干扰，同时对剩余的数据取平均值。测试效果如表3所示。
(4)真实值与测量值之间做线性补偿
由于实际测量值与真实值之间会存在误差，现在通过用一次函数Y=KX+B做线性补偿算法来减少测量误差。在没有加入补偿之前如表4中的误差1所示。E2 到E11中的数值是Y由式EN=(AN+1-AN)/(BN+1-BN)，(N=2~11)得到。F2到F22中的数据是对E2到E11中数据取平均值。 G2到G11中的数据由公式GN=AN-FNBN，(N=2~11)。HN(N=2~11)中的数据是对G2到G11取平均值得到。计算出K=1.077 229 163，B=32.240 783 23。Y=1.077 229 163X+32.240 783 23，得到补偿后的数据I2到I22。最终保证误差在5‰左右，如表4中的误差2所示。上海华声电气研究所转经过测试，融雪测量仪的测量范围为300 mm~2 000 mm，测量精度控制在5‰之内，且耗电量低。同时，由于考虑到实际应用环境的复杂性，对于元器件的选择全都采用工业级产品，以保证设备的稳定与可靠性。
参考文献
[1] 毛炜峰，张旭，杨志华，等.卫星遥感首次监测到准噶尔盆地西北部的冬季融雪洪水[J].冰川冻土，2010，32(1)：211-214.
[2] RAMSAYB H. The interactive multisensor snow and ice mapping system[J]. Hydrological Processes， 1998，12：1537-1546.
[3] 翟国富，刘茂恺.一种实时高精度的机器人用超声波测距处理方法[J].应用声学，1990(1)：17-24.
1 总体设计方案
本设计提出以超声波传感器进行积雪厚度的实时监测，采用“渡越时间检测法”进行雪厚的测量。其测量原理为：超声波发射器垂直地向雪表面发射超声波，同时采集板上微控制器内部定时器开始计时，碰到雪面反射回来。当超声波接收器接收到反射波时，定时器就立即停止计时，根据定时值，计算出发射点距雪表面的距离 S。假设设备安装高度为S0，雪厚值为S0-S。最终控制器对采集板进行召测，对采集到的数据处理与分析，并做出相应的预警功能。
2 低功耗的实现方案
低功耗实现方案主要有：控制板的主控制器的选型以及工作模式的选择;控制AT89C2051单片机的工作模式和485通信状态的控制以及设置合理的采样周期。
(1)主控制器的选型及工作模式的选择
控制板的主控制器选择MSP430F149，这是一款16位超低功耗的混合信号处理器。电源电压采用1.8~3.6 V，在2.2 V、1 MHz的时钟条件下运行时，电流仅有160 μA。待机模式：1.6 μA。关闭模式(RAM保持)：0.1 μA。平时让主控制器处于LPM3模式下，CPU停止工作，主时钟关闭，子时钟关闭，内部振荡器关闭，辅导时钟打开，其功耗为2 μA。同时，将TIMER_A的时钟源选为ACLK，当到达定时时间时，用#pragma vector=TIMERA1_VECTOR中断CPU唤醒。具体程序实现方法为：
Void Init_Timer_A()
{
TACTL|=TASSEL_1+TACLR; //选择时钟源为ACLK
TACTL|=MC1+TAIE; //使能定时器A中断
}
_BIS_SR(LPM3_bits+GIE); //Enter LPM3 interrupt
#pragma vector=TIMERA1_VECTOR //中断服务函数
__interrupt void Timer_A(void)
{}
(2)工作模式以及485状态控制
平时单片机处于“空闲方式”状态，当有串口中断唤醒的时候，CPU才开始采集数据。当采集完成后通过RS-485总线发送给控制板(注：RS-485平时处于接收状态，需要发送时才使能发送端口，为了降低功耗)，执行完成后单片机继续“睡觉”。程序实现方法如下所示。
Void Init_Uart()
{
TMOD=0X21;TH1=0XFD;TL1=0XFD;TR1=1;
//波特率发生器的选择
REN=1; //使能接受
SM0=0;SM1=1;
ES=1; //打开串口中断
EA=1; //开总中断
}
Void Init_485()
{
CONTROL_485=0; //使485模块处于接收状态;
}
Void Serial() interrupt 4 //串口中断服务函数
{}
Void Lower_Power()
{
CONTROL_485=0; //使485处于接收状态
PCON=0X01;//使单片机处于“空闲模式”
}
(3)设置合理的采样周期
由于积雪的融化与温度有关，当温度在冰点之下时，积雪不融化。这时候就没必要一直去采集积雪的融化状况，即采集频率可以减小，对于降低功耗是一种有效的方法(根据实际情况可在软件中设定值)。该设计中设定的采样周期如表1所示。
3 高精度的实现方案
高精度的实现方案主要表现为：确定回波检测方案，温度补偿，对采集值进行数字滤波，真实值与测量值之间做线性补偿。
(1)确定回波检测方案
能够快速检测到回波对于提高精度是一个关键点。如果在程序中使用冗余或者复杂的程序后，势必会增加定时器的计数值，从而影响测距精度。下面是该设计中使用的回波检测程序。
C语言程序：
while(SUPERSONIC_IN&&(TF0==0))
{}
TR0=0; //关闭定时器0
反汇编分析：
290： while(SUPERSONIC_IN&&(TF0==0))
C：0x055B 30B703 JNB SUPERSONIC_IN(0xB0.7)，C：0561
C：0x055E308DFA JNB TF0(0x88.5)，C：055B
291： {}
292：
293： TR0=0; //关闭定时器0
C：0x0561 C28C CLR TR0(0x88.4) 一条JNB bit，rel汇编语句执行时间为2个机器周期，一条CLR C汇编语句执行时间为1个机器周期，所以执行一次上述回波检测语句需要5个机器周期，而该设计中使用的晶振为12 MHz，一个机器周期为1 μs，因此需要5 μs。由公式S=VT/2，S为距离，V为波速，T为渡越时间。假设此时的V为340 m/s，得S=0.85 mm，误差在1 mm之内，在设计允许范围之内。
(2)温度补偿
由于超声波波速受到环境温度的影响，需要对波速进行温度补偿，利用数字温度传感器采集环境温度，以便为做成高精度的采集系统做保障。表2列出几种不同温度下的超声波波速[3]。
根据上述表2中数据，可以得出温度补偿公式如式(1)所示：
V=331.5+0.607×T (1)
其中V表示实际波速，T表示环境温度。程序算法如下所示：
float Count_Supersonic_Speed
(UCHAR real_temp)
{
float V1;
V1=real_temp/2+real_temp/10+331+1/2;
return V1;
}
(3)对采集值进行数字滤波
由于实际测量中会出现偶然脉冲干扰，使测得的数值偏差很大，通过防脉冲干扰平均滤波法(Anti-Pulse Interference Average Filtering Method)踢除此干扰，同时对剩余的数据取平均值。测试效果如表3所示。
(4)真实值与测量值之间做线性补偿
由于实际测量值与真实值之间会存在误差，现在通过用一次函数Y=KX+B做线性补偿算法来减少测量误差。在没有加入补偿之前如表4中的误差1所示。E2 到E11中的数值是Y由式EN=(AN+1-AN)/(BN+1-BN)，(N=2~11)得到。F2到F22中的数据是对E2到E11中数据取平均值。 G2到G11中的数据由公式GN=AN-FNBN，(N=2~11)。HN(N=2~11)中的数据是对G2到G11取平均值得到。计算出K=1.077 229 163，B=32.240 783 23。Y=1.077 229 163X+32.240 783 23，得到补偿后的数据I2到I22。最终保证误差在5‰左右，如表4中的误差2所示。上海华声电气研究所转经过测试，融雪测量仪的测量范围为300 mm~2 000 mm，测量精度控制在5‰之内，且耗电量低。同时，由于考虑到实际应用环境的复杂性，对于元器件的选择全都采用工业级产品，以保证设备的稳定与可靠性。
参考文献
[1] 毛炜峰，张旭，杨志华，等.卫星遥感首次监测到准噶尔盆地西北部的冬季融雪洪水[J].冰川冻土，2010，32(1)：211-214.
[2] RAMSAYB H. The interactive multisensor snow and ice mapping system[J]. Hydrological Processes， 1998，12：1537-1546.
[3] 翟国富，刘茂恺.一种实时高精度的机器人用超声波测距处理方法[J].应用声学，1990(1)：17-24.
