近年來，隨著超聲技術(shù)研究的不斷深入，其高精度、無損、非接觸等優(yōu)點日益凸顯，超聲技術(shù)的應(yīng)用也變得越來越廣泛。超聲波液位測量具有諸多顯著優(yōu)點，如檢測元件無需與被測介質(zhì)接觸，可測范圍廣泛；能夠測量低溫介質(zhì)的液位；使用壽命長；可實現(xiàn)定點和連續(xù)液位測量；安裝與維護(hù)便捷等。目前，超聲波測量已在江河水位監(jiān)測、化學(xué)和制藥工業(yè)、食品加工、罐裝液位檢測等多個領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。
超聲波脈沖回波法是液位測量領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種方法，其原理是通過測量超聲波的傳播時間來確定距離。具體而言，發(fā)射聲波換能器在脈沖信號的激勵下發(fā)出超聲波，該超聲波通過傳聲媒介傳播至被測液面，形成反射波；反射波再經(jīng)傳聲介質(zhì)返回到接收換能器，傳感器將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，儀表根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間，結(jié)合超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，利用以下公式確定液位高度：
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)采用軟件濾波方式來精準(zhǔn)判斷超聲波回波信號的起始點。首先，使用 AD 轉(zhuǎn)換器將回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將其傳送至 ARM 處理器。借助 ARM 處理器強大的信號處理能力，對回波信號進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)值處理，從而準(zhǔn)確確定超聲波的傳播時間。
系統(tǒng)選用 Philips 公司的 LPC2119 芯片作為控制運算處理器。LPC2119 基于支持實時仿真和跟蹤的 16/32 位 ARM7TDMI - S CPU，并配備 128 KB 嵌入的高速 FLASH 存儲器，具備高性能、低功耗的特點。該芯片內(nèi)部集成了 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 自動接收功能。
測量電路的是超聲波發(fā)射及接收電路，采用收發(fā)一體式設(shè)計，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，并將其輸至 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，輸出低電平；當(dāng) PO.22 OUT 為高電平時，Q1 導(dǎo)通，Q2 的柵極電壓由電阻分壓得到，使 Ugs 小于其 2 V 左右的門限電壓，從而使 Q2 導(dǎo)通，輸出高電平。通過控制端的控制，發(fā)射電路能夠產(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 ADP1111 提供。
在接收電路中，利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 0.3 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、接收電路的一體化。由于回波信號較為微弱，電路需要對其進(jìn)行放大處理，使用 OP27 運算放大器將回波信號放大 200 倍。電容 C20 用于濾掉回波信號中的直流成分。
系統(tǒng)采用數(shù)字濾波、數(shù)值處理的方法來尋找超聲波的回波起點，因此需要將放大后的回波信號進(jìn)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)換后的回波信號將送入運算控制器進(jìn)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)系如下式所示：
為了減少測量誤差，需要進(jìn)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 DS18B20 芯片進(jìn)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 DS18B20 進(jìn)行的溫度轉(zhuǎn)換時，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 DS18B20 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(jìn)行查表，得到當(dāng)時的聲速。由于表格中的溫度點有限且呈離散分布，采用小區(qū)間插值法以提高精度。軟件編程嚴(yán)格遵循一線總線讀寫時序。
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，具備完成 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。
系統(tǒng)選用 TD1，RD1 引腳作為 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，包括高速、斜率控制和待機。當(dāng) R35 短路接地時，可選擇高速工作方式；若 RS 引腳接高電平，則電路進(jìn)入低電平待機方式，此時發(fā)送器關(guān)閉，接收器轉(zhuǎn)入低電流狀態(tài)，有利于降低系統(tǒng)功耗；在斜率控制模式下，電阻 R35 的大小可根據(jù)總線的通信速率適當(dāng)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，有效加強了電路的抗干擾能力，確保 CAN 總線在遭受嚴(yán)重干擾時仍能正常運行。PCA82C250 的 CANH 和 CANL 引腳各自通過一個 10 Ω 的電阻與 CAN 總線相連，該電阻起到限流作用，可保護(hù) PCA82C250 免受過流沖擊。在 CANH 和 CANL 與地之間并聯(lián) 2 個 30 pF 的小電容，能夠濾除總線上的高頻干擾，并具有一定的防電磁干擾能力。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(dāng) 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(hù)作用。
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)鍵在于對超聲波回波信號的處理；通信程序的關(guān)鍵則是 CAN 總線控制器的初始化以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
系統(tǒng)采用數(shù)字濾波方式對回波信號進(jìn)行處理，選用 IIR 帶通濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波，然后進(jìn)行數(shù)值處理，以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]，通帶波紋衰減為 0.01 dB，阻帶波紋衰減為 60 dB，采樣頻率為 1 MHz。可使用高通及低通各為 4 階的帶通橢圓型濾波器來實現(xiàn)。其系數(shù)為：b = (0.001 0， - 0.007 6，0.024 8， - 0.047 4，0.058 4， - 0.047 4，0.024 8， - 0.007 6，0.001 0)，a = (1.000 0， - 7.579 2，25.370 1， - 48.974 1，59.623 8， - 46.877 5，23.244 5， - 6.647 0，0.839 5)。此濾波器極點均在單位圓內(nèi)，濾波器是穩(wěn)定的。
通信程序的設(shè)計主要包括三部分：CAN 控制器的初始化、CAN 總線數(shù)據(jù)發(fā)送和 CAN 總線數(shù)據(jù)接收。通過編寫 LPC2119 芯片內(nèi)部 CAN 控制器寄存器來實現(xiàn)軟件通信功能。
CAN 總線控制器只需進(jìn)行少量配置即可進(jìn)行通信，其基本初始化流程包括硬件使能和配置引腳連接、軟件復(fù)位、設(shè)定通信波特率、配置驗收過濾器、退出復(fù)位模式等必要步驟。
CAN 控制器初始化后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。LPC2119 內(nèi)部每個 CAN 控制器配有 3 個獨立的發(fā)送緩沖寄存器，在發(fā)送時可根據(jù)實際情況選擇 3 個緩沖之一，將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后啟動發(fā)送。
CAN 控制器根據(jù) CAN2.0B 規(guī)范對發(fā)送和接收錯誤進(jìn)行計數(shù)和處理。
基于 CAN 總線的智能超聲液位變送器選用了高性能、低功耗的 ARM 處理器芯片 LPC2119。利用 LPC2119 芯片內(nèi)部的 CAN 控制器和 CAN 總線收發(fā)器 PCA82C250 構(gòu)建了性能優(yōu)異的 CAN 總線通信接口，實現(xiàn)了信號的可靠、實時、靈活傳輸。由一線式數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 芯片完成溫度補償功能。先進(jìn)的處理器增強了液位計的回波處理能力，采用數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)一步提高了液位的測量精度。這種基于超聲波脈沖回波法的液位測量方法在實際應(yīng)用中具有廣闊的前景，能夠為液位測量領(lǐng)域提供更加高效、準(zhǔn)確的解決方案。
