基于CAN總線的智能超聲液位變送器

作者：時(shí)間：2010-08-06 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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O 引言
現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))是德國(guó)Bosch公司在80年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中大量的控制與測(cè)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(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，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(shí)時(shí)性和靈活性強(qiáng)。
近些年來(lái)，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(wú)損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲的應(yīng)用變得越來(lái)越普及。超聲波液位測(cè)量有許多優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)元件可以不與被測(cè)介質(zhì)接觸，可測(cè)范圍廣；可測(cè)量低溫介質(zhì)的液位；壽命長(zhǎng)；能夠定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)液位；安裝維護(hù)方便。超聲波測(cè)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(cè)量方法
超聲波脈沖回波法是液位測(cè)量中應(yīng)用較廣的一種方法，通過(guò)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。超聲波脈沖回波檢測(cè)法的基本原理是：發(fā)射聲波換能器由脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)出超聲波，通過(guò)傳聲媒介傳到被測(cè)液面，形成反射波；反射波再通過(guò)傳聲介質(zhì)返回到接收換能器，傳感器把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由儀表計(jì)算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時(shí)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(shí)間；h即所測(cè)液面實(shí)際高度。
系統(tǒng)采用軟件濾波方式判斷超聲波回波信號(hào)的起始點(diǎn)，使用AD轉(zhuǎn)換器將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送到ARM處理器，利用ARM處理器較強(qiáng)的信號(hào)處理能力對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)值處理，確定超聲波傳播時(shí)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(gè)支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。LPC2119芯片內(nèi)部集成2個(gè)CAN控制器，符合CAN規(guī)范CAN2．0B、ISO11898-1，可訪問(wèn)32位寄存器和RAM，單個(gè)總線數(shù)據(jù)波特率可達(dá)1 Mb／s，全局驗(yàn)收過(guò)濾器可識(shí)別幾乎所有總線的11和29位Rx標(biāo)識(shí)符，驗(yàn)收過(guò)濾器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供了FullCAN-style自動(dòng)接收。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 測(cè)量電路設(shè)計(jì)
測(cè)量電路的核心是超聲波發(fā)射及接收電路，設(shè)計(jì)為收發(fā)一體式，如圖1所示。使用LPC2119芯片內(nèi)部定時(shí)器0產(chǎn)生40 kHz的激勵(lì)脈沖，輸至NMOS場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極。當(dāng)控制端PO．22 OUT為低電平時(shí)，NMOS場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止，PMOS場(chǎng)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(shí)，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(mén)限電壓而使Q2導(dǎo)通，輸出高電平。所以通過(guò)控制端，使發(fā)射電路產(chǎn)生正向高壓脈沖以激勵(lì)超聲波探頭。+50 V高電壓由AD公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)型DC-DC變換器ADPllll提供。