基于CAN總線的智能超聲液位變送器
系統(tǒng)采用數(shù)字濾波、數(shù)值處理的方法找超聲波的回波起點,因此需要將放大后的回波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采樣頻率定為1 MHz,模數(shù)轉(zhuǎn)換電路使用德州儀器公司的8位高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS930。電路采用交流耦合連接方式。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的回波信號送入運算控制器進行處理。
超聲波在空氣中的傳播速度會隨溫度的變化而變化,超聲波傳播速度c與環(huán)境溫度T的關(guān)系如式(2):
為了減少測量誤差,需要進行溫度補償。系統(tǒng)采用DALLAS公司的一線式數(shù)字溫度傳感器DSl8B20芯片進行溫度補償?,F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。使用DSl8B20進行精確的溫度轉(zhuǎn)換,I/O線必須在轉(zhuǎn)換期間保證供電,系統(tǒng)采用外接電源方式給DSl8B20芯片供電。溫度補償采用查表法,首先建立溫度與聲速的二維關(guān)系表,處理器在讀出DS18B20測得的溫度值后進行查表,得到當時聲速。由于表格中的溫度點有限并且是離散分布的,采用小區(qū)間插值法以提高精度。軟件編程嚴格遵循一線總線讀寫時序。
2.2 CAN總線通信接口設(shè)計
CAN總線通信接口由CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器組成,CAN控制器作為CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層,CAN總線收發(fā)器作為CAN總線的物理層。LPC2119內(nèi)部集成的CAN控制器作為CAN總線控制器,它具有完成CAN通信協(xié)議的全部必要特性。PHILIPS公司的CAN總線收發(fā)器PCA82C250提供CAN總線控制器和物理傳輸線路之間的接口。電路如圖2所示。本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/157283.htm
系統(tǒng)選用TDl,RDl引腳CAN控制器。CAN總線收發(fā)器PCA82C250的RS引腳接一斜率電阻R35用于選擇PCA82C250的工作模式:高速、斜率控制和待機。R35短路接地可選擇高速工作方式;若RS引腳接高電平,則電路進入低電平待機方式,發(fā)送器關(guān)閉,接收器轉(zhuǎn)入低電流,有利于降低系統(tǒng)功耗;在斜率控制下,電阻R35的大小可根據(jù)總線的通信速率適當調(diào)整,一般在16~140 kΩ之間。
系統(tǒng)使用高速光耦6N137和DC-DC電壓隔離模塊B0505S組成的隔離電路加強了電路的抗干擾能力,確保CAN總線遭受嚴重干擾時能夠正常運行。PCA82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個10 Ω的電阻與CAN總線相連,電阻起限流的作用,保護PCA82C250免受過流的沖擊。在CANH和CANL與地之間并聯(lián)2個30 pF的小電容,可以濾除總線上的高頻干擾并且具有一定的防電磁干擾的能力。在兩根CAN總線接入端之間并入瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS管),當CAN總線串入干擾電壓時可通過TVS管的短路起到一定的過壓保護作用。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括測量程序和通信程序兩部分。其中,測量程序的關(guān)鍵是對超聲波回波信號的處理;通信程序的關(guān)鍵是CAN總線控制器的初始化,數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
3.1 回波信號處理程序的設(shè)計
系統(tǒng)采用數(shù)字濾波方式對回波信號進行處理,選用IIR帶通濾波器進行數(shù)字濾波,然后進行數(shù)值處理,識別接收波形的起始點。系統(tǒng)設(shè)計通帶頻率范圍為[35 kHz,45 kHz],通帶波紋最大衰減為O.01 dB,阻帶波紋最小衰減為60 dB,采樣頻率為1 MHz。可用高通及低通各為4階的帶通橢圓型濾波器來實現(xiàn)。系數(shù)為:b=(O.001 O,-O.007 6,0.024 8,-0.047 4,O.058 4,-O.047 4,O.024 8,-0.007 6,0.001 O),a=(1.000 O,-7.579 2,25.370 1,-48.974 1,59.623 8,-46.877 5,23.244 5,-6.647 O,O.839 5)。此濾波器極點均在單位圓內(nèi),濾波器是穩(wěn)定的。圖3是IIR數(shù)字濾波器的幅度與相位特性曲線圖。
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