基于CAN總線的智能超聲液位變送器設(shè)計(jì)

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)：

　　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DSl8B20芯片進(jìn)行溫度補(bǔ)償?，F(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DSl8B20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DSl8B20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用于選擇PCA82C250的工作模式：高速、斜率控制和待機(jī)。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總線遭受嚴(yán)重干擾時(shí)能夠正常運(yùn)行。PCA82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個(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。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TVS管的短路起到一定的過壓保護(hù)作用。

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實(shí)現(xiàn)。系數(shù)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(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。