基于CAN总线的智能超声液位变送器设计

O 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

　　式中：H表示探头与容器底部的距离；L表示超声波传输距离的50％；v表示超声波声速；t表示超声波传播时间；h即所测液面实际高度。

　　系统采用软件滤波方式判断超声波回波信号的起始点，使用AD转换器将回波信号转换为数字信号送到ARM处理器，利用ARM处理器较强的信号处理能力对回波信号进行数字滤波、数值处理，确定超声波传播时间。

　　系统选用Philips公司的LPC2119芯片作为控制运算处理器。LPC2119是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI-S CPU，并带有128 KB嵌入的高速FLASH存储器，具有高性能、低功耗的特点。LPC2119芯片内部集成2个CAN控制器，符合CAN规范CAN2．0B、ISO11898-1，可访问32位寄存器和RAM，单个总线数据波特率可达1 Mb／s，全局验收过滤器可识别几乎所有总线的11和29位Rx标识符，验收过滤器为选择的标准标识符提供了FullCAN-style自动接收。

2 系统硬件设计

　　2．1 测量电路设计

　　测量电路的核心是超声波发射及接收电路，设计为收发一体式，如图1所示。使用LPC2119芯片内部定时器0产生40 kHz的激励脉冲，输至NMOS场效应管Q1的栅极。当控制端PO．22 OUT为低电平时，NMOS场效应管Q1截止，PMOS场效应管Q2的Ugs接近零电压，Q2截止而输出低电平；PO．22 OUT为高电平时，Q1导通，Q2的栅极电压由电阻分压而得，使Ugs小于其2 V左右的门限电压而使Q2导通，输出高电平。所以通过控制端，使发射电路产生正向高压脉冲以激励超声波探头。+50 V高电压由AD公司生产的开关型DC-DC变换器ADPllll提供。

　　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。