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一、硬件系统总体架构 超声波风速风向仪硬件电路系统采用模块化设计，主要包括四大核心模块： 主控模块：系统核心，负责数据处理与控制 回波调理模块：信号接收与处理 发射驱动模块：超声波信号激励 电源管理模块：系统供电
系统架构图如下： 二、主控模块详解1. DSP子系统采用TI公司的TMS320F2812作为主控制器： 150MHz主频，32位定点处理器 外扩512KB SRAM(IS64WV系列) 双通信接口设计：
RS485接口(带TVS保护) 4-20mA电流环输出(采用DAC芯片)
关键电路设计： 时钟电路：30MHz有源晶振+内部5倍频 复位电路：专用复位芯片保证稳定上电 电平转换：3.3V/1.8V多电压域设计
2. FPGA子系统选用Xilinx Spartan-7 XC7S25： 23,360逻辑单元 1,620Kb Block RAM 实现功能：
发射时序控制 ADC采集控制 数据缓存(双口RAM) 通道切换逻辑
3. 高精度ADC关键参数： 12位分辨率 50MSPS采样率 差分输入设计 5Vpp输入范围
前端设计： 程控放大(两级PGA) 差分驱动电路(THS4531) 抗混叠滤波器(200kHz截止)
三、回波调理模块设计
1. 信号通路
2. 关键电路初级放大：
仪表放大器架构 10倍固定增益 带通滤波(中心频率200kHz)
程控放大：
两级级联(LTC6910-1) 数字控制增益(0-50dB) 自动增益控制(根据ADC溢出标志)
差分驱动：
全差分运放设计 共模电压2.5V 驱动能力>100MHz
四、发射驱动模块
1. 高压驱动电路
输出300Vpp方波 频率200kHz(5μs周期) 可调驱动电压(通过PWM控制)
2. 通道切换设计采用3片8选1模拟开关(DG408) 控制逻辑：
隔离设计：
五、电源管理设计
1. 电源树架构
2. 关键器件24V转5V：TPS5430(3A输出) 负压生成：TPS60403(电荷泵) 低压LDO：TPS767系列(低噪声)
六、机械结构设计1. 探头布局8探头三维非正交布局 可调间距(150-600mm) 球面分布设计(直径=探头间距)
2. 核心组件芯棒组件：
空心铝合金管(6061-T6) 顶端安装换能器 内部走信号线
调节机构：
电路舱：
电磁屏蔽设计 三明治结构(主控/驱动/电源) IP54防护等级
3. 结构仿真有限元分析：
最大应力22.7MPa(60m/s风速) 安全系数>4(材料屈服强度105MPa)
流场分析：
七、关键设计要点抗干扰设计：
时序控制：
发射/接收严格时序 通道切换延时<100ns 采集触发精度20ns
可维护性：
该设计通过硬件架构优化和精密机械设计，实现了0.1m/s的风速测量精度和1°的风向精度，特别适合风洞等低风速测量场景。
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发表于 2025-6-6 09:09:20