基于CAN總線(xiàn)的智能超聲液位變送器設計

系統采用數字濾波、數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進(jìn)行模數轉換。本系統采樣頻率定為1 MHz，模數轉換電路使用德州儀器公司的8位高速A／D轉換器ADS930。電路采用交流耦合連接方式。經(jīng)過(guò)A／D轉換后的回波信號送入運算控制器進(jìn)行處理。

　　超聲波在空氣中的傳播速度會(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)：

　　為了減少測量誤差，需要進(jìn)行溫度補償。系統采用DALLAS公司的一線(xiàn)式數字溫度傳感器DSl8B20芯片進(jìn)行溫度補償?，F場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。使用DSl8B20進(jìn)行精確的溫度轉換，I／O線(xiàn)必須在轉換期間保證供電，系統采用外接電源方式給DSl8B20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，采用小區間插值法以提高精度。軟件編程嚴格遵循一線(xiàn)總線(xiàn)讀寫(xiě)時(shí)序。

　　2．2 CAN總線(xiàn)通信接口設計

　　CAN總線(xiàn)通信接口由CAN總線(xiàn)控制器和CAN總線(xiàn)收發(fā)器組成，CAN控制器作為CAN總線(xiàn)的數據鏈路層，CAN總線(xiàn)收發(fā)器作為CAN總線(xiàn)的物理層。LPC2119內部集成的CAN控制器作為CAN總線(xiàn)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(xiàn)收發(fā)器PCA82C250提供CAN總線(xiàn)控制器和物理傳輸線(xiàn)路之間的接口。電路如圖2所示。

　　系統選用TDl，RDl引腳CAN控制器。CAN總線(xiàn)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。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)入低電平待機方式，發(fā)送器關(guān)閉，接收器轉入低電流，有利于降低系統功耗；在斜率控制下，電阻R35的大小可根據總線(xiàn)的通信速率適當調整，一般在16～140 kΩ之間。

　　系統使用高速光耦6N137和DC-DC電壓隔離模塊B0505S組成的隔離電路加強了電路的抗干擾能力，確保CAN總線(xiàn)遭受?chē)乐馗蓴_時(shí)能夠正常運行。PCA82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)10 Ω的電阻與CAN總線(xiàn)相連，電阻起限流的作用，保護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(xiàn)上的高頻干擾并且具有一定的防電磁干擾的能力。在兩根CAN總線(xiàn)接入端之間并入瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS管)，當CAN總線(xiàn)串入干擾電壓時(shí)可通過(guò)TVS管的短路起到一定的過(guò)壓保護作用。

3 系統軟件設計

　　系統軟件設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(xiàn)控制器的初始化，數據的發(fā)送和接收。

　　3．1 回波信號處理程序的設計

　　系統采用數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)行數字濾波，然后進(jìn)行數值處理，識別接收波形的起始點(diǎn)。系統設計通帶頻率范圍為[35 kHz，45 kHz]，通帶波紋最大衰減為O．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。系數為：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)。此濾波器極點(diǎn)均在單位圓內，濾波器是穩定的。圖3是IIR數字濾波器的幅度與相位特性曲線(xiàn)圖。