随着现代社会的飞速发展,能源问题受到广泛关注。风能发电作为一种新型的可再生能源,建立在对风矢量信息的准确测量基础之上。其次,伴着高速铁路的快速发展,列车运行的安全性也日益突出,特别是在铁路沿线的风口,如山口、隧道口、弯道等处,极易发生列车倾覆事故,所以铁路沿线大风风场的实时监测对于列车的安全运行起着至关重要的作用。另外,现代气象监测正朝着全天候无人值守的模式发展,也迫切需要可靠性高、免维护的测风系统。本论文针对这一系列的需求,提出了超声波风速风向仪的设计方案。从理论模型和实际工程原型两个方面分别验证了超声波风速风向仪的可行性。首先,利用时差法的相关原理阐述了二维风速风向的具体测量模型和计算方法。其次,针对上述理论模型,详细给出了整个系统的硬件设计架构。为了方便日常维护和获得更好的电气隔离性能,本系统将硬件电路设计成了三个模块单元：数字电路单元、模拟电路单元和防护电路单元。第三,介绍了系统软件设计的基本原理和流程框图,并运用Keil uVision3和QuartusⅡ10.1软件实现了ARM和CPLD下位机程序的编写,从而组成了一个完整的测量系统。为了进一步提高系统性能,提出了一种临界风向角平均处理的具体算法,同时也给出了一种采用脉冲调制来改善超声波接收信号质量的方法。最后,通过一系列性能测试和标定完成了对超声波风速风向仪实际功能和可靠性的验证。性能测试主要包括：电磁兼容、高低温、盐雾测试,其中电磁兼容又包括四项内容：静电、浪涌、电磁场和高速脉冲群。测试结果表明超声波风速风向仪在恶劣的气候环境和严酷的电磁环境下均能正常地工作。通过对不同风向和不同风速进行系统标定验证了整个超声波风速仪的整体性能,标定结果表明系统具有较高的测量精度。