基于CAN總線的智能超聲液位變送器設計

O 引言

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

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

1 測量方法

　　超聲波脈沖回波法是液位測量中應用較廣的一種方法，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：發射聲波換能器由脈沖信號激勵發出超聲波，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返回到接收換能器，傳感器把聲信號轉換成電信號，由儀表計算出超聲波從發射到接收所傳播的時間，再根據超聲波在介質中傳播的速度，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轉換器將回波信號轉換為數字信號送到ARM處理器，利用ARM處理器較強的信號處理能力對回波信號進行數字濾波、數值處理，確定超聲波傳播時間。

　　系統選用Philips公司的LPC2119芯片作為控制運算處理器。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芯片內部集成2個CAN控制器，符合CAN規范CAN2．0B、ISO11898-1，可訪問32位寄存器和RAM，單個總線數據波特率可達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標識符，驗收過濾器為選擇的標準標識符提供了FullCAN-style自動接收。

2 系統硬件設計

　　2．1 測量電路設計

　　測量電路的核心是超聲波發射及接收電路，設計為收發一體式，如圖1所示。使用LPC2119芯片內部定時器0產生40 kHz的激勵脈沖，輸至NMOS場效應管Q1的柵極。當控制端PO．22 OUT為低電平時，NMOS場效應管Q1截止，PMOS場效應管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導通，輸出高電平。所以通過控制端，使發射電路產生正向高壓脈沖以激勵超聲波探頭。+50 V高電壓由AD公司生產的開關型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射脈沖進入接收電路。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，但對較小的回波信號不起作用，實現了超聲波發射、接收電路一體化。電路需要對微弱的回波信號進行放大，使用OP27運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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