基于CAN總線的智能超聲液位變送器設(shè)計

O 引言

　　現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))是德國Bosch公司在80年代初為解決現(xiàn)代汽車中大量的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而提出的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，由于采用了許多新技術(shù)以及獨特的設(shè)計，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的性能，且可靠性、實時性和靈活性強(qiáng)。

　　近些年來，隨著超聲技術(shù)研究的不斷深入，再加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲的應(yīng)用變得越來越普及。超聲波液位測量有許多優(yōu)點：檢測元件可以不與被測介質(zhì)接觸，可測范圍廣；可測量低溫介質(zhì)的液位；壽命長；能夠定點和連續(xù)測液位；安裝維護(hù)方便。超聲波測量已成功應(yīng)用于江河水位、化學(xué)和制藥工業(yè)、食品加工、罐裝液位等多種領(lǐng)域。

1 測量方法

　　超聲波脈沖回波法是液位測量中應(yīng)用較廣的一種方法，通過測量超聲波傳播時間來測量距離。超聲波脈沖回波檢測法的基本原理是：發(fā)射聲波換能器由脈沖信號激勵發(fā)出超聲波，通過傳聲媒介傳到被測液面，形成反射波；反射波再通過傳聲介質(zhì)返回到接收換能器，傳感器把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，由儀表計算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間，再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，利用式(1)確定液位高度

　　式中：H表示探頭與容器底部的距離；L表示超聲波傳輸距離的50％；v表示超聲波聲速；t表示超聲波傳播時間；h即所測液面實際高度。

　　系統(tǒng)采用軟件濾波方式判斷超聲波回波信號的起始點，使用AD轉(zhuǎn)換器將回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送到ARM處理器，利用ARM處理器較強(qiáng)的信號處理能力對回波信號進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)值處理，確定超聲波傳播時間。

　　系統(tǒng)選用Philips公司的LPC2119芯片作為控制運(yùn)算處理器。LPC2119是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有128 KB嵌入的高速FLASH存儲器，具有高性能、低功耗的特點。LPC2119芯片內(nèi)部集成2個CAN控制器，符合CAN規(guī)范CAN2．0B、ISO11898-1，可訪問32位寄存器和RAM，單個總線數(shù)據(jù)波特率可達(dá)1 Mb／s，全局驗收過濾器可識別幾乎所有總線的11和29位Rx標(biāo)識符，驗收過濾器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供了FullCAN-style自動接收。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2．1 測量電路設(shè)計

　　測量電路的核心是超聲波發(fā)射及接收電路，設(shè)計為收發(fā)一體式，如圖1所示。使用LPC2119芯片內(nèi)部定時器0產(chǎn)生40 kHz的激勵脈沖，輸至NMOS場效應(yīng)管Q1的柵極。當(dāng)控制端PO．22 OUT為低電平時，NMOS場效應(yīng)管Q1截止，PMOS場效應(yīng)管Q2的Ugs接近零電壓，Q2截止而輸出低電平；PO．22 OUT為高電平時，Q1導(dǎo)通，Q2的柵極電壓由電阻分壓而得，使Ugs小于其2 V左右的門限電壓而使Q2導(dǎo)通，輸出高電平。所以通過控制端，使發(fā)射電路產(chǎn)生正向高壓脈沖以激勵超聲波探頭。+50 V高電壓由AD公司生產(chǎn)的開關(guān)型DC-DC變換器ADPllll提供。

　　在接收電路中使用二極管的鉗位作用防止高壓發(fā)射脈沖進(jìn)入接收電路。電路中的兩個肖特基二極管和限流電阻將輸入電壓限制在O．3 V以內(nèi)，但對較小的回波信號不起作用，實現(xiàn)了超聲波發(fā)射、接收電路一體化。電路需要對微弱的回波信號進(jìn)行放大，使用OP27運(yùn)算放大器將回波信號放大200倍。電容C20濾掉回波信號中的直流成分。

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