基于工业以太网的液位变送器

0　引言

液位测量有浮子式、压力式、电容式、激光式、超声波式等方法。采用超声波测量方法,通过测量从超声波发出到从液面反射后返回的时间来求取液位。超声波传输时间可以采用识别起始信号、包络峰值等办法测量,而采用数字信号处理的方法则可以取得较高的波形识别精度。由于超声波的传播速度与温度相关,因此还需进行温度补偿以得到准确的声速。液位的测量结果在显示的同时,还需传输到控制室以实现控制、管理等。4~20 mA的双线制电流等模拟信号传输方式逐步被数字化的FF、Profibus等总线取代。目前,商用计算机通信领域以及控制系统的上层管理与通信领域已经被以太网垄断[1],工业以太网的发展方向是进一步延伸到现场级。系统采用基于工业以太网的UDP通信来传输数据。

1　系统的硬件部分

系统主要由CPU、片外存储器、液位检测电路、以太网接口以及测试显示模块等几部分组成,系统硬件整体设计见图1。

1. 1　微控制器系统

系统采用LPC2210,它是基于32位ARM7TDMI-S内核低功耗ARM处理器[2],能够支持片外大容量RAM和Flash.片外ROM采用了M29DW640D,是4M×16 bit结构的Flash存储器,可工作于3·3 V的电源,具有与CPU相匹配的读取速度。片外RAM选用IC62LV51216L SRAM芯片,为512 K×16bit结构,即容量为1MB,采用低功耗SRAM的工业标准异步接口。外部存储空间地址从0x80000000h开始,M29DW640D和IC62LV51216L地址线最低位A0与LPC2210的A1连接,以适合16位的数据结构。

1. 2　超声波发射接收及放大电路

系统通过测量超声波的发射至反射回的时间来求取液位。超声波发射、接收频率f0为(40±1)kHz,发射信号通过给超声波换能器一个60 V左右的高电压脉冲来产生,电路见图2。ADP1111是可调输出的升、降压开关稳压器。输出电压通过R16、R17构成的反馈网络调节, Vout=1·25(1+R16/R17)。通过ADP1111开关型DC-DC变换器可产生60 V高压,并通过场效应管的开关来产生脉冲信号。

超声波接收信号采用OP-27低噪声高速精密运算放大器放大。通过R39和R38之间比值的调节,使放大倍数在200倍左右。为使放大后的信号能够在A/D转换器的电压输入范围之内,在OP27的同相输入端接入1个25 kΩ的电位器,用于调节信号的直流偏置,使输出电压在0·66~2·86 V之间,以满足模数转换器的需要。电路连接如图3所示。

1. 3　模/数转换电路

经放大后的模拟信号需通过A/D转换器转换成数字信号,输出至LPC2210,采用数字信号处理技术求出超声波的传播时间[3]。按照Nyquist采样定理,采样频率fs应不低于信号频率f0的两倍,系统中采样频率fs取1 MHz.常见的A/D转换器有闪烁式、逐次比较式、双斜式、多斜式等形式,系统低功耗的TLV5510 CMOSA/D转换器,分辨率为8位,属于半闪式A/D