引言

超聲波液位計(jì)作為一種非接觸式的液位測(cè)量設(shè)備［1－2］，不受電磁干擾影響，成本較低，使用方便，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，特別是對(duì)工況比較復(fù)雜的罐體中液位的測(cè)量。超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度主要取決于對(duì)傳播時(shí)間和聲速的檢測(cè)精度。目前市場(chǎng)上的超聲波液位計(jì)多數(shù)是基于MCS-51單片機(jī)設(shè)計(jì)的［3－4］，由于單片機(jī)本身硬件上的限制，導(dǎo)致對(duì)傳播時(shí)間的測(cè)量精度一般不高，功能也相對(duì)單一［5］。本文中將STM32和FPGA相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型的超聲波液位計(jì)。系統(tǒng)利用溫濕度傳感器對(duì)聲速進(jìn)行了溫度和濕度兩方面的補(bǔ)償;同時(shí)，采用無(wú)線通信模塊對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行無(wú)線傳輸［6］，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該液位測(cè)量系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、多功能等特點(diǎn)。

 

1超聲波液位測(cè)量原理

超聲波液位測(cè)量的方法主要有相位檢測(cè)法、幅值檢測(cè)法、時(shí)差法［7］。其中，相位檢測(cè)法精度較高，但量程短，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜;幅值檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但精度較低;時(shí)差法電路不太復(fù)雜，量程和精度基本能滿足工業(yè)要求，文中采用時(shí)差法。

1．1時(shí)差法原理

發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)被測(cè)液面反射后，回波信號(hào)被接收探頭所接收。由于在特定介質(zhì)中聲速是可以確定的，因此只要測(cè)量出超聲波從發(fā)出到被接收所用的時(shí)間就可以計(jì)算出超聲波傳輸?shù)木嚯x，進(jìn)而間接測(cè)量出液面高度［8］。時(shí)差法的原理圖如圖1所示。

由圖可知，L=E－D，L=E－ct/2，c為聲速，t為超聲波傳播的時(shí)間。

1．2聲速的溫濕度補(bǔ)償

由時(shí)差法的原理可知，決定測(cè)量精度的關(guān)鍵是對(duì)聲速的確定和對(duì)傳播時(shí)間的測(cè)量。影響聲速的環(huán)境因素主要是溫度，大多數(shù)氣介式超聲波液位計(jì)也是都對(duì)溫度進(jìn)行了補(bǔ)償，但如果待測(cè)液體是易揮發(fā)的，空氣中大量的蒸氣會(huì)形成不容忽視的聲速梯度，為了保證測(cè)量的精度，這時(shí)就需要對(duì)聲速進(jìn)行溫度和濕度兩方面的補(bǔ)償，經(jīng)查閱資料后推導(dǎo)得到修正后的聲速公式為:式中:c0為標(biāo)況下的聲速，取331．45m/s，p為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取1．01325×105Pa，pw為水蒸氣分壓強(qiáng)，t為測(cè)量溫度，T0為273．15K，pw/p為相對(duì)濕度。

 

2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)、FPGA、發(fā)射電路、接收電路、溫濕度測(cè)量模塊、LCD顯示模塊、無(wú)線通信模塊、報(bào)警模塊等組成。由于FPGA內(nèi)嵌軟核NiosⅡ需要占用較大的FPGA邏輯面積［9］，而且是FPGA粗顆粒邏輯結(jié)構(gòu)制作的CPU，和基于ASIC的AＲM在功耗和速度上的性能相差較大，因此，系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32芯片作為主控制器，STM32通過(guò)SPI接口和FPGA進(jìn)行通信。上電之后，STM32單片機(jī)向FPGA發(fā)送測(cè)量信號(hào)，F(xiàn)PGA接收到信號(hào)之后，發(fā)出超聲波激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)開始計(jì)數(shù)，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)發(fā)射電路放大后激勵(lì)換能器振動(dòng)發(fā)出超聲波，經(jīng)被測(cè)液面反射后產(chǎn)生的回波信號(hào)由接收電路處理后被回波識(shí)別模塊檢測(cè)到，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值通過(guò)SPI接口傳給STM32，STM32利用補(bǔ)償后的聲速和傳播時(shí)間計(jì)算出液位高度，并控制LCD顯示液位和溫濕度測(cè)量結(jié)果，同時(shí)，將相應(yīng)測(cè)量結(jié)果通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送給PC端，如果液位不在規(guī)定范圍內(nèi)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3．1超聲波發(fā)射電路

發(fā)射電路如圖3所示。FPGA的I/O口電平為3．3V，分頻產(chǎn)生的40kHz的激勵(lì)脈沖先經(jīng)過(guò)限流電阻Ｒ1，接著被晶體管Q1(9014)、Q2(9014)、Q3(9015)進(jìn)行功率放大后加載到變壓器兩端，由于變壓器的初級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生高電流，故采用場(chǎng)效應(yīng)管相連。電阻Ｒ3用來(lái)和換能器進(jìn)行阻抗匹配。

3．2超聲波接收電路

接收電路如圖4所示，核心器件是TL852。TL852是專用的超聲波測(cè)距芯片，可以完成對(duì)回波信號(hào)的放大、濾波和整形。TL852具有11級(jí)的增益變換，測(cè)量過(guò)程中，可以根據(jù)超聲波傳播時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制GCA、GCB、GCC、GCD四個(gè)引腳的電平，調(diào)節(jié)增益的大小，進(jìn)而增大量程。TL852的輸出信號(hào)并不能直接被FPGA識(shí)別，還需進(jìn)行進(jìn)一步的比較整形處理。比較整形電路由雙運(yùn)放LM311組成，前級(jí)運(yùn)放構(gòu)成的同相跟隨器是為了使比較整形電路和放大濾波電路隔離;后級(jí)運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器，實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，以便FPGA識(shí)別回波信號(hào)。

3．3LCD顯示模塊

為了便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和顯示測(cè)量結(jié)果，系統(tǒng)選用LCD12864液晶屏作為顯示模塊。該液晶屏的分辨率為128×64，具有多種接口方式，并且內(nèi)置了漢字字庫(kù)，可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及圖形。另外，LCD12864還具有低電壓低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

3．4溫濕度測(cè)量模塊

系統(tǒng)選用DHT11溫濕度傳感器來(lái)檢測(cè)溫濕度，對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償。DHT11的濕度測(cè)量范圍是20%～95%，精度為±5%ＲH，溫度測(cè)量范圍是0～50℃，精度為±2℃。DHT11通過(guò)單總線和STM32進(jìn)行通信，連接方便，DATA端口輸出的是已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。STM32和DHT11之間的連接電路如圖5所示

3．5無(wú)線通信模塊

系統(tǒng)選用的無(wú)線通信模塊型號(hào)為AS32-TTL-100，該模塊采用Semtech原裝SX1278射頻芯片，載波頻率410～441MHz，發(fā)射功率為100mW，通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，通信距離zui遠(yuǎn)可達(dá)3000m。另外，AS32-TTL-100的功耗低至1．5μA，還采用了LoＲa擴(kuò)頻技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，傳輸距離和穿透能力比傳統(tǒng)的FSK有著很大地提高?？刂芃D0和MD1兩個(gè)輸入端口的電平可以選擇不同的工作模式，模塊通過(guò)ＲXD和TXD兩個(gè)端口和單片機(jī)進(jìn)行串口通信，AUX端口用于指示模塊的工作狀態(tài)。發(fā)射端無(wú)線模塊與STM32的接線圖如圖6所示，接收端無(wú)線模塊通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，和PC機(jī)進(jìn)行通信。

3．6STM32和FPGA模塊

系統(tǒng)選用的主控芯片是意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6，該款芯片有80個(gè)通用IO口，512KB閃存FLASH，64KB的SＲAM，3個(gè)SPI，5個(gè)串口等豐富的資源，可以滿足設(shè)計(jì)要求。FPGA芯片選用的是Al-@@@@tera公司的Cyclone系列的EP1C3T144C6，1．5V內(nèi)核，EP1C3T144C6具有2910個(gè)邏輯單元，59904位內(nèi)嵌ＲAM，一個(gè)鎖相環(huán)。FPGA部分主要包括:發(fā)射模塊、回波識(shí)別模塊、計(jì)數(shù)模塊、SPI接口模塊。其中，發(fā)射模塊產(chǎn)生超聲波激勵(lì)信號(hào);回波識(shí)別模塊用于檢測(cè)回波信號(hào);計(jì)數(shù)模塊在超聲波激勵(lì)信號(hào)發(fā)出的同時(shí)開始計(jì)數(shù)，回波識(shí)別模塊接收到回波信號(hào)后停止計(jì)數(shù)，則渡越時(shí)間為N/f，N為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，f為計(jì)數(shù)頻率。計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)之后將計(jì)數(shù)值通過(guò)SPI接口發(fā)送給STM32，STM32根據(jù)計(jì)數(shù)值計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間，從而計(jì)算出液位高度。

 

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分包括STM32部分軟件設(shè)計(jì)、FP-GA部分軟件設(shè)計(jì)以及PC端軟件設(shè)計(jì)。

4．1STM32部分軟件設(shè)計(jì)

STM32部分的軟件在KeilMDK上開發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)任務(wù)的并行處理，以及對(duì)液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，考慮在STM32F103VET6微控制器上移植一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。和其他的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，F(xiàn)reeＲTOS是一個(gè)小巧、免費(fèi)的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeＲTOS的內(nèi)核可裁剪，一般只占用4K～9K字節(jié)的空間，具有很強(qiáng)的可移植性，并且不對(duì)任務(wù)數(shù)量和任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行限制。綜上考慮，系統(tǒng)選用FreeＲTOS作為操作系統(tǒng)。

FreeＲTOS可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的創(chuàng)建、刪除、掛起、恢復(fù)、設(shè)定優(yōu)先級(jí)等功能。在高精度超聲波液位計(jì)的程序設(shè)計(jì)中需要?jiǎng)?chuàng)建液位測(cè)量、溫濕度測(cè)量、LCD顯示、無(wú)線通信、報(bào)警五個(gè)任務(wù)，根據(jù)重要性和實(shí)時(shí)性要求，給每個(gè)任務(wù)設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，程序流程圖如圖7所示。軟件用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，為了方便調(diào)試以及后期開發(fā)和維護(hù)，程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)的代碼如下所示:

4．2FPGA部分軟件設(shè)計(jì)

FPGA軟件部分的開發(fā)環(huán)境為QuartusⅡ，采用VerilogHDL語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。通過(guò)狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的控制時(shí)序，完成各項(xiàng)操作。圖8為狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)遷移圖，有空閑、開始、數(shù)據(jù)發(fā)送三個(gè)狀態(tài)，為了減少組合邏輯的數(shù)目，提高系統(tǒng)速度，用獨(dú)熱碼對(duì)各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行編碼。STAＲT信號(hào)用來(lái)標(biāo)記是否接收到開始指令，STAＲT=0時(shí)開始測(cè)量。ECHO用來(lái)標(biāo)記是否接收到回波信號(hào)，當(dāng)識(shí)別到回波信號(hào)時(shí)，ECHO被置為1。上電后，狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)，當(dāng)STAＲT=0時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入開始狀態(tài)。進(jìn)入開始狀態(tài)后，發(fā)射模塊發(fā)射出由10個(gè)頻率為40kHz的脈沖組成的脈沖簇，驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路發(fā)出超聲波。在產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)回波識(shí)別模塊識(shí)別到回波時(shí)，ECHO被置為1，進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)后，先將計(jì)數(shù)值保存在計(jì)數(shù)寄存器中，再將計(jì)數(shù)器中的值清零，為下次計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備，完成這些操作后將計(jì)數(shù)寄存器中的值通過(guò)SPI接口發(fā)送給STM32。時(shí)序仿真如圖9所示。

4．3PC端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)部分軟件采用C#語(yǔ)言編寫，該語(yǔ)言對(duì)Windows操作系統(tǒng)兼容性較好，所用的集成開發(fā)環(huán)境是VS，C#程序在VisioStudio．NET平臺(tái)上運(yùn)行。當(dāng)PC端采集到STM32發(fā)送的液位和溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，在監(jiān)控界面上進(jìn)行顯示。PC端軟件部分需要設(shè)計(jì)一個(gè)串口類用來(lái)接收數(shù)據(jù)，串口接收到數(shù)據(jù)后，先將數(shù)據(jù)緩存，再利用一個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析后的數(shù)據(jù)在datagrid表格中顯示，并用chart類繪制液位的曲線圖，點(diǎn)擊保存按鈕，可以將數(shù)據(jù)保存到Excel表中。測(cè)量過(guò)程中監(jiān)控界面如圖10所示。

5結(jié)束語(yǔ)

采用STM32作為主控制器，并移植了FreeＲTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了液位的實(shí)時(shí)測(cè)量，以及其他各任務(wù)的實(shí)時(shí)處理。采用FPGA作為協(xié)處理器，利用其并行處理的能力消除了產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的延時(shí)。FPGA較高的工作頻率保證了計(jì)時(shí)的精度以及超聲波激勵(lì)信號(hào)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了測(cè)量精度。同時(shí)，系統(tǒng)還對(duì)聲速進(jìn)行了溫度和濕度兩方面的補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了液位計(jì)的測(cè)量精度。另外，該系統(tǒng)還有無(wú)線通信的能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

 

 

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