众所周知,风是一种非常常见的自然现象,风速风向也是非常重要的气象参数。风速风向的测量对于航海、航空、科学研究、风力发电以及工农业生产都具有重要意义。传统的机械式测风仪器难以满足众多领域对于风速风向的高精度测量要求,微电子技术的飞速发展和软件算法的改进使得时间测量精度和计算机的处理能力得到大幅提高,出现了超声波测风仪等高精度的测风设备,与传统的测风设备相比无机械磨损、精度高、能适应更加复杂的工作环境。但是通过查阅文献和调研国内外的超声波测风行业发现,国外对于超声波测风技术的研究比国内要早,而且国外相关的超声波测风产品也比国内厂家的同类产品更加完善和成熟,测量精度更高,对于超声波测风技术的研究具有重要的现实意义和工程应用价值。针对现有问题,本课题基于高精度时间数字转换器TDC-GP22研制了一款三维超声波风速风向测量系统。首先,本文对各种超声波测风方法进行详细介绍并且选择了时差法作为超声波测风方法,选择三维正交型的测风阵列作为系统的测风方案。整个系统分为硬件和软件两个部分。使用ACAM公司的高精度时间数字转换器TDC-GP22测量超声波的渡越时间,在单通道四精度模式时精度能达到22ps;应用中频变压器搭建换能器驱动放大电路,将幅值为3.0V的TDC-GP22发出的方波脉冲信号放大为幅值约为100V的脉冲,驱动换能器高频振动发出超声波;利用低噪声、高带宽的运算放大器设计了回波信号调理电路;以CD4097多路复用器搭建声道切换电路,将方波信号分时接到不同的发射电路驱动换能器并将换能器产生的回波信号分时接入信号调理电路进行放大滤波处理;还包括最小系统、三轴磁场传感器外围电路、两轴倾角传感器模块、通信接口电路等。程序设计主要包括主程序、各测量模块的芯片驱动程序、串口中断服务函数、时间测量、风速风向计算以及切换开关控制等模块的程序设计。完成软硬件的设计和整个系统的安装后,搭建小型风洞对系统进行了实验和标定,并对实验数据进行误差分析和校验,最后对课题进行了总结和展望。