一种螺旋桨式测风传感器的接口转换装置及方法

本发明涉及测风传感器领域，特别涉及一种螺旋桨式测风传感器的接口转换装置及方法。

背景技术：

1、测风传感器在船舶、海洋浮标、气象站和海洋站等应用广泛，其提供的风速、风向信息在船舶安全航行、防风防台、应急救援中起着至关重要的作用。

2、现有的测风传感器种类多样，测风原理各不相同，有的采用电磁感应原理测量风速，采用接触式电位计测量风向；有的采用光电开关原理测量风速，采用非接触的光电转换装置测量风向方位角度，因此，其输出的信号类型也不相同，风速信号有频率输出型、还有电流、rs485等输出形式，风向信号主要有电压、电流、rs485等输出形式。

3、螺旋桨式测风传感器是针对海洋环境设计的一款性能优异的测风传感器，其采用光电开关原理，有效提高了抗干扰能力和电磁兼容性；采用非接触的光电转换装置测量方位角度，可以避免接触磨损和测量盲区，有助于延长使用寿命，并且抗电磁干扰能力更强，是目前更为理想的海洋测风仪器。螺旋桨式测风传感器通过螺旋桨来感知风速，其工作原理与现有的其他测风传感器有很大不同，其桨叶的旋转速度是通过光电开关转换成电信号，输出的是与风速成比例的正脉冲信号；风向则是通过光电转换装置输出的格雷码。因此，其输出的信号类型与现有的其他测风传感器也不同，在将信号进行后处理时，采用现有的通用的处理系统无法直接匹配。因此，需要设计一种接口转换装置，将螺旋桨式测风传感器的风速和风向信号转换成现有的通用的信号类型。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种螺旋桨式测风传感器的接口转换装置及方法，以达到可将输出的信号类型转换为现有的通用信号类型，便于测风传感器与处理系统的兼容，方便信号处理，提高工作效率的目的。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种螺旋桨式测风传感器的接口转换装置，包括滤波电路、整形电路、单片机、信号调理电路、供电单元和继电器；

4、所述滤波电路和整形电路用于将接收到的风速脉冲信号和风向信号分别经滤波和整形后进入单片机；

5、所述单片机包括cpu、程序存储器、数据存储器、中断系统、i/o口、时钟电路、定时/计数器、d/a转换器、spi总线和串口，所述单片机用于将滤波后的风速信号或整形后的风向信号进行处理，转换成脉冲信号、电压信号、电流信号或数字信号，所述单片机通过继电器控制供电单元对信号调理电路进行供电或断电，进而实现对风速和风向信号输出形式的选择；

6、所述信号调理电路包括脉冲信号调理电路、电压信号调理电路、电流信号调理电路和数字信号调理电路，用于将脉冲信号、电压信号、电流信号或数字信号进行调理后输出。

7、上述方案中，所述脉冲信号调理电路包括三级运放电路和dc/dc转换器，所述三级运放电路用于实现信号的极性调整，所述dc/dc转换器用于提供正负电源，为三级运放电路供电。

8、上述方案中，所述电压信号调理电路包括与单片机的d/a转换器连接的电压跟随器和精密基准电压源，所述电压跟随器用于隔离外部采样电路对传感器内部电路的影响，保证风向电压信号的无损输出，并降低外部采样电路的测量误差；所述精密基准电压源用于提供基准电压。

9、上述方案中，所述电流信号调理电路包括光耦合器和电流变送器，所述光耦合器用于实现单片机和电流变送器之间通讯的隔离，保证信号的可靠传输，所述电流变送器由电流环路供电，用于将单片机的数字信号以串行方式输入，并转换成4～20ma电流输出。

10、上述方案中，所述数字信号调理电路包括rs485接口芯片、can控制器和can收发器，所述rs485接口芯片用于将单片机的ttl电平转换为rs-485电平；所述can控制器用于接收单片机的指令数据，然后发送给can收发器，同时也用于接收can收发器的数据，进行解析后发送给单片机；所述can收发器用于连接can控制器与can总线，将can控制器输出的逻辑电平转换为差分信号输出到can总线上。

11、一种螺旋桨式测风传感器的接口转换方法，采用上述的转换装置，包括脉冲信号调理方法、电压信号调理方法、电流信号调理方法和数字信号调理方法；所述脉冲信号调理方法包括如下过程：风速脉冲信号经滤波电路滤波后，进入单片机，由单片机的中断系统引入外部中断服务子程序，外部中断服务子程序按照设定的转换方法进行频率转换，控制单片机的i/o口输出对应频率的脉冲信号；然后该路信号由第一级运放电路搭建的反相比例运算电路将正脉冲序列变成负脉冲序列，再通过第二级运放电路搭建的反相求和运算电路进行电压平移，调整为正负交替的脉冲信号，最后通过第三级运放电路搭建的电压跟随器输出风速频率脉冲信号。

12、具体的，频率转换的方法具体如下：

13、在同等风力条件下，风速大小记为v，单位m/s，螺旋桨式测风传感器风速轴的转速记为n，单位r/s，每转一圈输出的脉冲个数记作p，拟转换的目标测风传感器风速轴的转速记为n′,单位r/s，每转一圈输出的脉冲个数记作p′，设风速每增加1米/秒，螺旋桨式测风传感器和拟转换的目标测风传感器每秒增加的脉冲个数分别为f1和f2，则有：

14、f1＝n×p÷v

15、f2＝n′×p′÷v

16、对分式f1/f2进行约分，得到最简分式：

17、

18、其中，f1、f2为去掉公约数后的正整数；

19、通过上述公式来实现单位时间内不同转速、不同输出脉冲个数的测风传感器之间的频率转换，下面分情况进行说明：

20、①当f1＝f2时，每当输入1个脉冲信号，同步输出1个脉冲信号；

21、②当f1>f2时，将f1/f2得到的商取整后记作n，n为大于1的自然数，每当外部中断收到n个脉冲信号，即在单片机i/o口输出1个脉冲信号，这样的过程称为过程a，设这样的过程需要重复完成x次；每当外部中断收到n+1个脉冲信号，即在单片机i/o口输出1个脉冲信号，这样的过程称为过程b，设这样的过程需要重复完成y次；则x和y满足方程组(1)：

22、

23、通过解上述方程组，得到x和y的数值；

24、此时，频率转换的方法为：定义一个计数变量，从零开始对外部脉冲计数，每收到一个外部脉冲，计数变量加1，根据条件进行过程a或者过程b，每当过程a完成x次，过程b需完成y次，此时计数变量值为f1；然后计数变量清零重新开始计数，重复上述处理过程，以此类推持续进行；

25、③当f1<f2时，将f2/f1得到的商取整后记作n′，n′为大于1的自然数，每当外部中断收到1个脉冲信号，即在单片机i/o口输出n′个脉冲信号，这样的过程称为过程a，设这样的过程需要重复完成x次；每当外部中断收到1个脉冲信号，即在单片机i/o口输出n′+1个脉冲信号，这样的过程称为过程b，设这样的过程需要重复完成y次；则x和y满足方程组(2)：

26、

27、通过解上述方程组，得到x和y的数值；

28、此时，频率转换的方法为：定义一个计数变量，从零开始对外部脉冲计数，每收到一个外部脉冲，计数变量加1，根据条件进行过程a或者过程b，每当过程a完成x次，过程b需完成y次，此时计数变量值为f1；然后计数变量清零重新开始计数，重复上述处理过程，以此类推持续进行下去。

29、进一步的，所述电压信号调理方法包括如下过程：风向信号经整形电路整形后，从单片机的i/o口输入，单片机通过cpu将其转换成对应的风向角度，再按照线性比例关系转换成对应的数字量，并驱动d/a转换器输出对应的模拟电压，通过电压跟随器之后对外输出风向电压信号。

30、进一步的，所述电流信号调理方法包括如下过程：风速信号经滤波电路滤波后，进入单片机，单片机的cpu通过计数器，将风速脉冲信号转换成风速数值，再按照线性比例关系转换成电流变送器对应的风速数字量；风向信号经整形电路整形后，从单片机的i/o口输入，单片机通过cpu将其转换成对应的风向角度，再按照线性比例关系转换成电流变送器对应的风向数字量；风速数字量和风向数字量分别经由单片机的spi总线和光耦合器驱动电流变送器输出对应的电流信号。

31、进一步的，所述数字信号调理方法包括如下过程：

32、风速信号经滤波电路滤波后，进入单片机，单片机的cpu通过计数器，将风速脉冲信号转换成风速数值；风向信号经整形电路整形后，从单片机的i/o口输入，单片机通过cpu将其转换成对应的风向角度，再按照串口通信协议转换成对应的串口指令数据，或者按照can通信协议转换成对应的can指令数据；

33、串口指令数据经单片机的串口输出至rs485接口芯片，输出符合rs485串行通信标准的信号；can指令数据经单片机的spi总线输出至can控制器和can收发器，最终输出符合can总线标准的信号。

34、通过上述技术方案，本发明提供的螺旋桨式测风传感器的接口转换装置及方法具有如下

35、有益效果：

36、采用本发明的接口转换装置可以对螺旋桨式测风传感器输出的风速脉冲信号按需转换成频率型脉冲信号、电流、数字等输出形式，将输出的风向信号按需转换成电压、电流、数字等输出形式；本发明通过一种量化的对应转换方法，结合硬件中断响应方式，实现了同一时间段内，螺旋桨式测风传感器的风速和风向信号的实时动态转换与输出，能适应船载气象装备、海洋浮标、气象站等的接口需求，安装和拆卸方式简单，因此推广应用前景广阔。