創(chuàng)新自化成

基于CAN總線的智能超聲液位變送器

時間：2010-08-12 08:16:26 第一對焦：智能超聲液位變送器應用

www.openheartcreations.com　　自動化行業(yè)門戶網站　　【導讀】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。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(yōu)點，超聲的應用變得越來越普及。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(xù)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(yè)、食品加工、罐裝液位等多種領域。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(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(fā)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：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　h=H-L=H-vt/2　　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?！　∠到y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?！　∠到y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(guī)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。系統硬件設計　1 ）測量電路設計　　測量電路的核心是超聲波發(fā)射及接收電路，設計為收發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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。　　系統采用數字濾波、數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轉換。本系統采樣頻率定為1 MHz，模數轉換電路使用德州儀器公司的8位高速A／D轉換器ADS930。電路采用交流耦合連接方式。經過A／D轉換后的回波信號送入運算控制器進行處理?！　〕暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣葧S溫度的變化而變化，超聲波傳播速度c與環(huán)境溫度T的關系如式(2)：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　c=331.4+0.61T　　為了減少測量誤差，需要進行溫度補償。系統采用DALLAS公司的一線式數字溫度傳感器DSl8B20芯片進行溫度補償?，F場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。使用DSl8B20進行精確的溫度轉換，I／O線必須在轉換期間保證供電，系統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?！?b>2 ）CAN總線通信接口設計　　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總線的數據鏈路層，CAN總線收發(fā)器作為CAN總線的物理層。LPC2119內部集成的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。