基于CAN总线的智能超声液位变送器

文章摘要：超声波在空气中的传播速度会随温度的变化而变化，超声波传播速度c与环境温度T的关系如式(2)：为了减少测量误差，需要进行温度补偿。系统采用DALLAS公司的一线式数字温度传感器DSl8B20芯片进行温度补偿。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。使用DSl8B20进行精确的温度转换，I／O线必须在转换期间保证供电，系统采用外接电源方式给DSl8B20芯片供电。温度补偿采用查表法，首先建立温度与声速的二维关系表，处理器在读出DS18B20测得的温度值后进行查表，得到当时声速。由于表格中的温度点有限并且是离散分布的，采用小区间插值法以提高精度。软件编程严格遵循一线总线读

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　　超声波在空气中的传播速度会随温度的变化而变化，超声波传播速度c与环境温度T的关系如式(2)：

　　为了减少测量误差，需要进行温度补偿。系统采用DALLAS公司的一线式数字温度传感器DSl8B20芯片进行温度补偿。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。使用DSl8B20进行精确的温度转换，I／O线必须在转换期间保证供电，系统采用外接电源方式给DSl8B20芯片供电。温度补偿采用查表法，首先建立温度与声速的二维关系表，处理器在读出DS18B20测得的温度值后进行查表，得到当时声速。由于表格中的温度点有限并且是离散分布的，采用小区间插值法以提高精度。软件编程严格遵循一线总线读写时序。

　　2．2 CAN总线通信接口设计

　　CAN总线通信接口由CAN总线控制器和CAN总线收发器组成，CAN控制器作为CAN总线的数据链路层，CAN总线收发器作为CAN总线的物理层。LPC2119内部集成的CAN控制器作为CAN总线控制器，它具有完成CAN通信协议的全部必要特性。PHILIPS公司的CAN总线收发器PCA82C250提供CAN总线控制器和物理传输线路之间的接口。电路如图2所示。

　　系统选用TDl，RDl引脚CAN控制器。CAN总线收发器PCA82C250的RS引脚接一斜率电阻R35用于选择PCA82C250的工作模式：高速、斜率控制和待机。R35短路接地可选择高速工作方式；若RS引脚接高电平，则电路进入低电平待机方式，发送器关闭，接收器转入低电流，有利于降低系统功耗；在斜率控制下，电阻R35的大小可根据总线的通信速率适当调整，一般在16～140 kΩ之间。

　　系统使用高速光耦6N137和DC-DC电压隔离模块B0505S组成的隔离电路加强了电路的抗干扰能力，确保CAN总线遭受严重干扰时能够正常运行。PCA82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个10 Ω的电阻与CAN总线相连，电阻起限流的作用，保护PCA82C250免受过流的冲击。在CANH和CANL与地之间并联2个30 pF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰并且具有一定的防电磁干扰的能力。在两根CAN总线接入端之间并入瞬态电压抑制二极管(TVS管)，当CAN总线串入干扰电压时可通过TVS管的短路起到一定的过压保护作用。

　　3 系统软件设计

　　系统软件设计主要包括测量程序和通信程序两部分。其中，测量程序的关键是对超声波回波信号的处理；通信程序的关键是CAN总线控制器的初始化，数据的发送和接收。

　　3．1 回波信号处理程序的设计

　　系统采用数字滤波方式对回波信号进行处理，选用IIR带通滤波器进行数字滤波，然后进行数值处理，识别接收波形的起始点。系统设计通带频率范围为[35 kHz，45 kHz]，通带波纹最大衰减为O．01 dB，阻带波纹最小衰减为60 dB，采样频率为1 MHz。可用高通及低通各为4阶的带通椭圆型滤波器来实现。系数为：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)。此滤波器极点均在单位圆内，滤波器是稳定的。图3是IIR数字滤波器的幅度与相位特性曲线图。

　　3．2 通信程序的设计

　　通信程序的设计主要包括三部分：CAN控制器的初始化，CAN总线数据发送，CAN总线数据接收。通过编写LPC2119芯片内部CAN控制器寄存器来实现软件通信功能。

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