基于CAN总线的智能超声液位变送器

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                    ???? 0 引言
　　现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多点、多站的通信网络。CAN(Controller Area Network，控制器局域网)是德国Bosch公司在80年代初为解决现代汽车中大量的控制与测试仪器之间的数据交换而提出的一种串行数据通信协议。CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的性能，且可靠性、实时性和灵活性强。
　　近些年来，随着超声技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普及。超声波液位测量有许多优点：检测元件可以不与被测介质接触，可测范围广；可测量低温介质的液位；寿命长；能够定点和连续测液位；安装维护方便。超声波测量已成功应用于江河水位、化学和制药工业、食品加工、罐装液位等多种领域。
　　1 测量方法
　　超声波脉冲回波法是液位测量中应用较广的一种方法，通过测量超声波传播时间来测量距离。超声波脉冲回波检测法的基本原理是：发射声波换能器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声媒介传到被测液面，形成反射波；反射波再通过传声介质返回到接收换能器，传感器把声信号转换成电信号，由仪表计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度，利用式(1)确定液位高度：




　　在接收电路中使用二极管的钳位作用防止高压发射脉冲进入接收电路。电路中的两个肖特基二极管和限流电阻将输入电压限制在O．3 V以内，但对较小的回波信号不起作用，实现了超声波发射、接收电路一体化。电路需要对微弱的回波信号进行放大，使用OP27运算放大器将回波信号放大200倍。电容C20滤掉回波信号中的直流成分。
　　系统采用数字滤波、数值处理的方法找超声波的回波起点，因此需要将放大后的回波信号进行模数转换。本系统采样频率定为1 MHz，模数转换电路使用德州仪器公司的8位高速A／D转换器ADS930。电路采用交流耦合连接方式。经过A／D转换后的回波信号送入运算控制器进行处理。
　　超声波在空气中的传播速度会随温度的变化而变化，超声波传播速度c与环境温度T的关系如式(2)：




　　系统选用TDl，RDl引脚CAN控制器。CAN总线收发器PCA82C250的RS引脚接一斜率电阻R35用于选择PCA82C250的工作模式：高速、斜率控制和待机。R35短路接地可选择高速工作方式；若RS引脚接高电平，则电路进入低电平待机方式，发送器关闭，接收器转入低电流，有利于降低系统功耗；在斜率控制下，电阻R35的大小可根据总线的通信速率适当调整，一般在16～140 kΩ之间。
　　系统使用高速光耦6N137和DC-DC电压隔离模块B0505S组成的隔离电路加强了电路的抗干扰能力，确保CAN总线遭受严重干扰时能够正常运行。PCA82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个10 Ω的电阻与CAN总线相连，电阻起限流的作用，保护PCA82C250免受过流的冲击。在CANH和CANL与地之间并联2个30 pF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰并且具有一定的防电磁干扰的能力。在两根CAN总线接入端之间并入瞬态电压抑制二极管(TVS管)，当CAN总线串入干扰电压时可通过TVS管的短路起到一定的过压保护作用。
　　3 系统软件设计
　　系统软件设计主要包括测量程序和通信程序两部分。其中，测量程序的关键是对超声波回波信号的处理；通信程序的关键是CAN总线控制器的初始化，数据的发送和接收。
　　3．1 回波信号处理程序的设计
　　系统采用数字滤波方式对回波信号进行处理，选用IIR带通滤波器进行数字滤波，然后进行数值处理，识别接收波形的起始点。系统设计通带频率范围为[35 kHz，45 kHz]，通带波纹最大衰减为O．01 dB，阻带波纹最小衰减为60 dB，采样频率为1 MHz。可用高通及低通各为4阶的带通椭圆型滤波器来实现。系数为：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)。此滤波器极点均在单位圆内，滤波器是稳定的。图3是IIR数字滤波器的幅度与相位特性曲线图。





　　CAN控制器初始化程序如下：




　　CAN控制器根据CAN2．0B规范来对发送和接收错误进行计数、处理。
　　4 结语
　　基于CAN总线智能超声液位变送器选用高性能、低功耗的ARM处理器芯片LPC2119；利用LPC2119芯片内部的CAN控制器和CAN总线收发器PC-A82C250构建性能优异的CAN总线通信接口，信号传输可靠、实时、灵活；由一线式数字温度传感器DSl8B20芯片完成温度补偿功能。先进的处理器加强了液位计的回波处理能力，采用数字滤波，提高了液位的测量精度。