摘 要:介紹了基于CAN總線的智能超聲液位變送器的設(shè)計(jì)。選用ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2119作運(yùn)算控制器，利用LPC2119芯片內(nèi)部的CAN總線控制器設(shè)計(jì)CAN總線通信接口。超聲液位變送器采用收發(fā)一體式電路設(shè)計(jì)，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度補(bǔ)償，利用ARM芯片強(qiáng)大的處理能力，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，從而準(zhǔn)確檢測(cè)出超聲波的傳播時(shí)間。

關(guān)鍵詞:CAN總線; 超聲波; 液位; 數(shù)字濾波

中圖分類(lèi)號(hào):TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)11-0131-04

Smart Ultrasonic Liquid Level Transmitter Based on CAN Bus

JIAO Bing， YE Song， WANG Xiao-lei

(Institute of Meteorology， PLA University of Science and Technology， Nanjing 211101， China)

Abstract: The design of a smart ultrasonic liquid level transmitter based on CAN bus is introduced. The communication interface of CAN bus was designed by choosing LPC2119 chip with ARM7TDMI-S inner core as the arithmetic control unit， and by utilizing CAN bus controller inside LPC2119 chip. The design of the monolithic transmitting and receiving circuit is emploied for the transmitter. Digital temperature sensor DS18B20 is adopted as temperature compensation device. The echo signal is processed with the digital filtering technology by the aid of the strong processing ability of ARM chip. Therefore， the accuracy of liquid level measurement is improved.

Keywords: CAN bus; ultrasonic; liquid level; digital filtering

0 引 言

現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多點(diǎn)、多站的通信網(wǎng)絡(luò)。CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))是德國(guó)Bosch公司在80 年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中大量的控制與測(cè)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[1]。CAN總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的性能，且可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性強(qiáng)。

近些年來(lái)， 隨著超聲技術(shù)研究的不斷深入， 再加上其具有的高精度、無(wú)損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)， 超聲的應(yīng)用變得越來(lái)越普及[2]。超聲波液位測(cè)量有許多優(yōu)點(diǎn):檢測(cè)元件可以不與被測(cè)介質(zhì)接觸，可測(cè)范圍廣;可測(cè)量低溫介質(zhì)的液位;壽命長(zhǎng)[3];能夠定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)液位;安裝維護(hù)方便[4]。超聲波測(cè)量已成功應(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(cè)量方法

超聲波脈沖回波法是液位測(cè)量中應(yīng)用較廣的一種方法，通過(guò)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。超聲波脈沖回波檢測(cè)法的基本原理是:發(fā)射聲波換能器由脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)出超聲波，通過(guò)傳聲媒介傳到被測(cè)液面，形成反射波;反射波再通過(guò)傳聲介質(zhì)返回到接收換能器，傳感器把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由儀表計(jì)算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時(shí)間，再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，利用式(1)確定液位高度:

h=H-L=H-vt/2

(1)

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(shí)間;h即所測(cè)液面實(shí)際高度。

系統(tǒng)采用軟件濾波方式判斷超聲波回波信號(hào)的起始點(diǎn)，使用AD轉(zhuǎn)換器將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送到ARM處理器，利用ARM處理器較強(qiáng)的信號(hào)處理能力對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)值處理，確定超聲波傳播時(shí)間。

系統(tǒng)選用Philips公司的LPC2119芯片作為控制運(yùn)算處理器。LPC2119是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。LPC2119芯片內(nèi)部集成2個(gè)CAN控制器，符合CAN規(guī)范CAN 2.0B、ISO11898-1，可訪問(wèn)32位寄存器和RAM，單個(gè)總線數(shù)據(jù)波特率可達(dá)1 Mb/s，全局驗(yàn)收過(guò)濾器可識(shí)別幾乎所有總線的11和29位Rx標(biāo)識(shí)符，驗(yàn)收過(guò)濾器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供了FullCAN-style自動(dòng)接收。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量電路設(shè)計(jì)

測(cè)量電路的核心是超聲波發(fā)射及接收電路，設(shè)計(jì)為收發(fā)一體式，如圖1所示。使用LPC2119芯片內(nèi)部定時(shí)器0產(chǎn)生40 kHz的激勵(lì)脈沖，輸至NMOS場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極。當(dāng)控制端P0.22 OUT為低電平時(shí)，NMOS場(chǎng)效應(yīng)管Q1截止，PMOS場(chǎng)效應(yīng)管Q2的Ugs接近零電壓，Q2截止而輸出低電平;P0.22 OUT為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2的柵極電壓由電阻分壓而得，使Ugs小于其2 V左右的門(mén)限電壓而使Q2導(dǎo)通，輸出高電平[5]。所以通過(guò)控制端，使發(fā)射電路產(chǎn)生正向高壓脈沖以激勵(lì)超聲波探頭。+50 V高電壓由AD公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)型DC-DC變換器ADP1111提供。

圖1 測(cè)量電路

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(jìn)入接收電路。電路中的兩個(gè)肖特基二極管和限流電阻將輸入電壓限制在0.3 V以?xún)?nèi)，但對(duì)較小的回波信號(hào)不起作用，實(shí)現(xiàn)了超聲波發(fā)射、接收電路一體化。電路需要對(duì)微弱的回波信號(hào)進(jìn)行放大，使用OP27運(yùn)算放大器將回波信號(hào)放大200倍[6]。電容C20濾掉回波信號(hào)中的直流成分。

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(diǎn)，因此需要將放大后的回波信號(hào)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的回波信號(hào)送入運(yùn)算控制器進(jìn)行處理。

超聲波在空氣中的傳播速度會(huì)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):

c=331.4+0.61T

(2)

為了減少測(cè)量誤差，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)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(bǔ)償。現(xiàn)場(chǎng)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DS18B20芯片供電。溫度補(bǔ)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(cè)得的溫度值后進(jìn)行查表，得到當(dāng)時(shí)聲速。由于表格中的溫度點(diǎn)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(yán)格遵循一線總線讀寫(xiě)時(shí)序。

2.2 CAN總線通信接口設(shè)計(jì)

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。

系統(tǒng)選用TD1，RD1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(jī)[7]。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(jìn)入低電平待機(jī)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(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組成的隔離電路加強(qiáng)了電路的抗干擾能力，確保CAN總線遭受?chē)?yán)重干擾時(shí)能夠正常運(yùn)行。PCA82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)10 Ω的電阻與CAN總線相連，電阻起限流的作用，保護(hù)PCA82C250免受過(guò)流的沖擊。在CANH和CANL與地之間并聯(lián)2個(gè)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[8]。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(shí)可通過(guò)TVS管的短路起到一定的過(guò)壓保護(hù)作用。

圖2 CAN總線通信接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括測(cè)量程序和通信程序兩部分。其中，測(cè)量程序的關(guān)鍵是對(duì)超聲波回波信號(hào)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(hào)處理程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用數(shù)字濾波方式對(duì)回波信號(hào)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，識(shí)別接收波形的起始點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)通帶頻率范圍為[35 kHz，45 kHz]，通帶波紋最大衰減為0.01 dB，阻帶波紋最小衰減為60 dB，采樣頻率為1 MHz?？捎酶咄暗屯ǜ鳛?階的帶通橢圓型濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(diǎn)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。

3.2 通信程序的設(shè)計(jì)

通信程序的設(shè)計(jì)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(guò)編寫(xiě)LPC2119芯片內(nèi)部CAN控制器寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件通信功能。

CAN總線控制器只需要進(jìn)行少量的配置就可以進(jìn)行通信，其基本初始化流程如圖4所示。其中，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(yàn)收過(guò)濾器、退出復(fù)位模式是必須的初始化部分。

圖3 IIR數(shù)字濾波器的幅度與相位特性曲線

圖4 CAN控制器初始化流程圖

CAN控制器初始化程序如下:

#define BPS_1000K

(0<<23)|(1<<20)|(3<<16)|(0<<14)|3//定義CAN通信波特率

#define CAN1 0

PinSet(CAN1);//CAN控制器的硬件使能及引腳選擇，系統(tǒng)選用CAN1

CAN1MOD=CAN1MOD|0x01;//軟件復(fù)位CAN1控制器

CAN1EWL=0x60;//設(shè)置出錯(cuò)警告界限

CAN1BTR=BPS_1000K;//設(shè)定通信波特率為1 Mb/s

CAN1IER=0x00;//設(shè)置中斷使能

CANAFMR=0x03;//設(shè)置驗(yàn)收過(guò)濾模式為旁路模式

CAN1MOD=CAN1MOD0xFE;//軟件使能CAN1控制器

CAN控制器初始化后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。LPC2119內(nèi)部每個(gè)CAN控制器配有3個(gè)獨(dú)立的發(fā)送緩沖寄存器，在發(fā)送時(shí)根據(jù)情況選擇3個(gè)緩沖之一，把數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)，啟動(dòng)發(fā)送。若選擇第一緩沖，程序如下:

CAN1TFI1=0<<31|0<<30|8<<16|0x00;//幀信息:標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，8位數(shù)據(jù)

CAN1TID1=0xAA;//幀ID:0xAA

CAN1TDA1=0x44332211;//前4字節(jié)數(shù)據(jù)

CAN1TDB1=0x88776655;//后4字節(jié)數(shù)據(jù)

CAN1CMR=1<<5|1;//選擇第一緩沖啟動(dòng)發(fā)送

系統(tǒng)采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。程序如下:

VICDefVectAddr=(INT32U)CANIntPrg;//設(shè)置CAN1為非向量中斷

VICIntEnable|=(1<<19)|(1<<20)|(1<<26);//使能CAN1中斷通道

While(1);//等待中斷

CAN控制器根據(jù)CAN 2.0B規(guī)范來(lái)對(duì)發(fā)送和接收錯(cuò)誤進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于CAN總線智能超聲液位變送器選用高性能、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)建性能優(yōu)異的CAN總線通信接口，信號(hào)傳輸可靠、實(shí)時(shí)、靈活;由一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片完成溫度補(bǔ)償功能。先進(jìn)的處理器加強(qiáng)了液位計(jì)的回波處理能力，采用數(shù)字濾波，提高了液位的測(cè)量精度。

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