基于CAN總線的智能超聲液位變送器設(shè)計

1、基于can總線的智能超聲液位變送器設(shè)計現(xiàn)場是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全簇擁、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。can(controller area network，控制器局域網(wǎng))是德國bosch公司在80年月初為解決現(xiàn)代汽車中大量的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而提出的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，因為采納了許多新技術(shù)以及獨特的設(shè)計，與普通的通信總線相比，can總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的性能，且牢靠性、實時性和靈便性強。近些年來，隨著超聲技術(shù)討論的不斷深化，再加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲的應(yīng)用變得越來越普及。超聲波

2、液位測量有許多優(yōu)點：檢測元件可以不與被測介質(zhì)接觸，可測范圍廣；可測量低溫介質(zhì)的液位；壽命長；能夠定點和延續(xù)測液位；安裝維護便利。超聲波測量已勝利應(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 測量辦法超聲波脈沖回波法是液位測量中應(yīng)用較廣的一種辦法，通過測量超聲波傳揚時光來測量距離。超聲波脈沖回波檢測法的基本原理是：放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(zhì)返回到接收換能器，把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，由儀表計算出超聲波從放射到接收所傳揚的時光，再按照超聲波在介質(zhì)中傳揚的速度，利用式(1)確定液位高度式中：h表示探頭與容器底部的

3、距離；l表示超聲波傳輸距離的50；v表示超聲波聲速；t表示超聲波傳揚時光；h即所測液面實際高度。系統(tǒng)采納軟件濾波方式推斷超聲波回波信號的起始點，用法ad轉(zhuǎn)換器將回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送處處理器，利用arm處理器較強的信號處理能力對回波信號舉行數(shù)字濾波、數(shù)值處理，確定超聲波傳揚時光。系統(tǒng)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和跟蹤的1632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(nèi)部集成2個can控制器，符合can規(guī)范can20b、iso11898-1，可拜訪

4、32位寄存器和ram，單個總線數(shù)據(jù)波特率可達1 mbs，全局驗收過濾器可識別幾乎全部總線的11和29位rx標(biāo)識符，驗收過濾器為挑選的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供了fullcan-style自動接收。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計21 測量設(shè)計測量電路的核心是超聲波放射及接收電路，設(shè)計為收發(fā)一體式，1所示。用法lpc2119芯片內(nèi)部定時器0產(chǎn)生40 khz的激勵脈沖，輸至nmosq1的柵極。當(dāng)控制端po22 out為低電平常，nmos場效應(yīng)管q1截止，pmos場效應(yīng)管q2的ugs臨近零，q2截止而輸出低電平；po22 out為高電平常，q1導(dǎo)通，q2的柵極電壓由分壓而得，使ugs小于其2 v左右的門限電壓而使q2導(dǎo)通，輸出

5、高電平。所以通過控制端，使放射電路產(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adpllll提供。在接收電路中用法的鉗位作用防止高壓放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o3 v以內(nèi)，但對較小的回波信號不起作用，實現(xiàn)了超聲波放射、接收電路一體化。電路需要對微弱的回波信號舉行放大，用法op27運算將回波信號放大200倍。c20濾掉回波信號中的直流成分。系統(tǒng)采納數(shù)字濾波、數(shù)值處理的辦法找超聲波的回波起點，因此需要將放大后的回波信號舉行模數(shù)轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采樣頻率定為1 mhz，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用法公司的8位高速ad轉(zhuǎn)換器ads9

6、30。電路采納溝通耦合銜接方式。經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換后的回波信號送入運算控制器舉行處理。超聲波在空氣中的傳揚速度會隨溫度的變幻而變幻，超聲波傳揚速度c與環(huán)境溫度t的關(guān)系如式(2)：為了削減測量誤差，需要舉行溫度補償。系統(tǒng)采納dallas公司的一線式數(shù)字dsl8b20芯片舉行溫度補償?，F(xiàn)場溫度挺直以“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。用法dsl8b20舉行精確的溫度轉(zhuǎn)換，io線必需在轉(zhuǎn)換期間保證供電，系統(tǒng)采納外接電源方式給dsl8b20芯片供電。溫度補償采納查表法，首先建立溫度與聲速的二維關(guān)系表，處理器在讀出ds18b20測得的溫度值后舉行查表，得到當(dāng)初聲速。因為表格中的溫度點有限并且

7、是離散分布的，采納小區(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。22 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)議的所有須要特性。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2所示。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用于挑選pca82c250的工作模式：高速、斜率控

8、制和待機。r35短路接地可挑選高速工作方式；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，有利于降低系統(tǒng)功耗；在斜率控制下，電阻r35的大小可按照總線的通信速率適當(dāng)調(diào)節(jié)，普通在16140 k之間。系統(tǒng)用法高速光耦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總線遭遇嚴(yán)峻干擾時能夠正常運行。pca82c250的canh和canl引腳各自通過一個10 的電阻與can總線相連，電阻起限流的作用，庇護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

9、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(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庇護作用。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。31 回波信號處理程序的設(shè)計系統(tǒng)采納數(shù)字濾波方式對回波信號舉行處理，選用iir帶通舉行數(shù)字濾波，然后舉行數(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o01 db，阻帶波紋最小衰減為60 db，采樣頻率為1 mhz?？捎酶咄暗屯?/p>

10、各為4階的帶通橢圓型濾波器來實現(xiàn)。系數(shù)為：b=(o001 o，-o007 6，0024 8，-0047 4，o058 4，-o047 4，o024 8，-0007 6，0001 o)，a=(1000 o，-7579 2，25370 1，-48974 1，59623 8，-46877 5，23244 5，-6647 o，o839 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。32 通信程序的設(shè)計通信程序的設(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，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總線控制器只需要舉行少量的配置就可以舉行通信，其基本初始化流程4所示。其中，硬件使能和配置引腳銜接、軟件復(fù)位、設(shè)定通信波特率、配置驗收過濾器、退出復(fù)位模式是必需的初始化部分。can控制器初始化程序如下：can控制器初始化后，可以舉行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。lpc2119內(nèi)部每個can控制器配有3個自立的發(fā)送緩沖寄存器，在發(fā)送時按照狀況挑選3個緩沖之一，把數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，啟動發(fā)送。若挑選第一緩沖，程序如下：can控制器按照can20b規(guī)范來對發(fā)送和接收錯誤舉行計數(shù)、處理。4 結(jié)語基于can總線智能超聲液位變送器選用