基于ARM的一体式超声液位计的设计

0　引言

目前,超声波测距已被广泛应用。超声波测量液位具有以下优点: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;换能器无可动部件,寿命长[1];能够定点和连续测液位;安装维护方便[2]。超声波脉冲回波法是超声波检测液位应用较广的一种方法。此方法通过测量超声波传播时间来测量距离,关键是找到超声波回波的起始点。已知超声波的传播时间Δt和当时的声速c可由下式求得距离:S=cΔt/2。系统设计使用A/D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,找到回波信号的起始点。图1为系统模块框图。

系统选用PHILIPS公司的LPC2119芯片作为处理器。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128kB嵌入的高速Flash存储器,具有高性能,低功耗的特点。通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU工作频率。

1　硬件电路设计

1·1　发射、接收电路设计

超声波接收、发射模块是整个系统设计的关键部分,具体电路如图2所示。超声波发射、接收电路设计为收发一体式。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P0. 22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;当P0. 22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[3]。所以通过控制端,可以使发射电路产生正向高压脉冲以激励超声波探头。高电压由ADP1111电路提供,ADP1111为AD公司生产的开关型DC-DC变换器。

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0·3 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。

系统采用数字滤波、数值处理的方法寻找超声波的回波起点,因此需要将放大后的回波信号进行模数转换。系统的采样频率定为1MHz,模数转换电路使用德州仪器公司的高速A/D转换器ADS930。ADS930是8位30MHz采样模数转换器,性价比高、功耗低,在推荐条件下工作功耗仅为66 mW.电路采用交流耦合连接方式。超声波回波信号经过模数转换后先保存在高速FIFO存储芯片IDT72V281中,以防止数据丢失并降低对处理器芯片的实时性要求。当A/D转换器转换结束后,处理器读出IDT72V281中的数据进行数值处理。A/D转换电路如图3所示。