摘要：文中介紹采用相關接收技術的超聲波液位計。此方法充分利用收發(fā)信號的相關性，不僅顯著增強液位計的檢測能力，而且有效克服傳統(tǒng)方法中接收信號強度變化對誤差的影響。實驗表明，該方法具有優(yōu)良的測量精度。

關鍵詞：超聲波液位計

傳統(tǒng)超聲波液位計中通常采用的方法是脈沖回波法和振鈴回波法。這兩種方法的優(yōu)點是收發(fā)電路和信號處理電路簡單、造價低廉。但是，由于接收信號是一段已被調幅的正弦波，當接收信號強度隨液位高度及液面波動變化時將會增大測量誤差，當接收信號強度過低時甚至可能無法檢測。增加信號強度的方法是提高發(fā)射信號的功率，但在很大程度上會受到換能器的限制。

本文將介紹一種采用相關接收技術的超聲波液位計，其發(fā)射信號是連續(xù)的、受偽隨機碼調制的等幅正弦波，利用收發(fā)信號的相關性提高液位計的檢測能力，從而獲得較滿意的測量精度和可靠性。由于采用了連續(xù)的發(fā)射信號，在接收電路中可以非常容易地加入自動增益控制電路，以克服接收信號強度變化對測量精度影響。該系統(tǒng)還可實現(xiàn)現(xiàn)場編程，能夠在不改變系統(tǒng)硬件結構的前提下，通過修改軟件現(xiàn)場調整、改進系統(tǒng)的性能。

1系統(tǒng)構成及測量原理

測量系統(tǒng)的主要構成（見圖1）包括AD轉換器、D/A轉換器、功率放大器（PA）、接收放大器（RA）、信號處理模塊和數字信號處理器（DSP）等幾部分。采用直接數字合成技術生成的發(fā)射信號驅動功率放大電路，由功率放大器產生發(fā)射換能器所需的激勵功率。接收放大器將視接收信號的強度自動調整增益，使輸出至AD轉換器的信號電平保持基本不變，減弱液位高度變化及液面的波動對信號接收處理電路的影響。在本設計中，DA轉換器與AD轉換器分別選用TI的TLCS602和Analog的AD9057。信號處理模塊的

功能是產生發(fā)射信號、處理接收信號并計算收發(fā)時間差，DSP完成測量數據處理、測量結果顯示等工作，并可以實現(xiàn)與其他設備的通信功能。

信號處理模塊是系統(tǒng)的核心，包括數控振蕩器、偽碼發(fā)生器、偽碼同步電路和時延測量電路、LCD顯示控制電路和UART等幾部分。信號處理模塊的邏輯功能由一片EP1K50實現(xiàn)，工作頻率為10MHz，可以通過JTAG接口1對信號處理模塊進行現(xiàn)場編程。發(fā)射信號是正弦波經偽隨機碼調相后產生的，調制方式為BPSK。發(fā)射信號的產生采用了直接數字合成技術（DDS），由D/A轉換器、數控振蕩器NCO、數字調制器DM和偽碼發(fā)生器實現(xiàn)。在NOO中使用了32位的相位累加器，在10MHz的工作頻率下，輸出頻率的分辨率可優(yōu)于0.003Hz。從圖2中可以看出，NCO輸出的兩路信號一方面作為接收信號的正交載波提供給接收信號處理單

元，另一方面數字正弦波又作為發(fā)射信號的載波供數字調制器使用。接收信號處理單元實現(xiàn)接收信號的解調、偽碼的捕獲與鎖定和時延測量。當系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)時，即可測出收發(fā)信號的時間差。接收信號處理的實現(xiàn)方法與擴頻接收機類似，本文從略。

2數據處理與DSP的現(xiàn)場編程

信號處理模塊測量到收發(fā)時間差后，由DSP完成液位高度的換算與數據處理。在本設計中，DSP采用TI的TMS320VC5402。它在完成液位測量的同時，還可以輕松實現(xiàn)測量結果的顯示、信號處理模塊的設置及通信等功能，但顯示與通信功能需結合CPLD中的LCD顯示模塊和UART模塊才能實現(xiàn)。由于偽隨機碼的長度受制于量程、測量速度及超聲的衰減等諸多因素，換能器的工作頻率與帶寬又會影響碼元寬度和發(fā)射信號頻率的選擇。為使液位計具有較強的適應性，DSP可以根據從UART獲得的命令與數據對偽隨機碼長度、碼元寬度、發(fā)射頻率和聲速等參數重新設置，并將設置參數保存在片外的EEPROM中。與通常的DSP獨立系統(tǒng)類似，C5402上電復位后，通過自裝載【3】將應用程序從片外存儲器移至片內存儲器中以提高運行速度，這就使得現(xiàn)場編程變得較為困難。

在本設計中，自裝載模式選用8bit串行EEPROM模式，通過編寫EEPROM寫入程序并添加部分程序段，實現(xiàn)了C5402的現(xiàn)場編程，并依靠對EEPROM寫保護端的控制完成獨立運行與現(xiàn)場編程的切換。匯編器和鏈接器產生的目標文件由仿真器通過JTAG接口2被下載到C5402后，首先運行EEPROM寫入程序。寫入程序通過判斷EEPROM寫等待時間是否超時決定系統(tǒng)的工作模式。如果超時則退出寫入程序，應用程序正常運行。否則寫入程序讀取程序段的內容并依次寫入EEPROM進行現(xiàn)場編程，現(xiàn)場編程結束后，寫入程序退出，C5402運行其他應用程序。

3實驗結果

在實現(xiàn)中使用兩個1.25MHz的超聲換能器分別完成發(fā)射和接收，以避免連續(xù)的發(fā)射信號對接收換能器的影響。偽碼發(fā)生器設置為4級線性反饋移位寄存器，輸出15bit的m序列偽隨機碼，碼元速率為1kHz。采用普通水為被測液體，測量誤差小于2mm?？紤]到溫度、聲速、換能器帶寬及數據處理方法等諸多因素對測量結果的影響，可以預計如果從增加溫度補償或聲帶校準、數據處理方法、發(fā)射功率、增大碼元寬度或偽碼長度等幾個方面著手加以改進能夠在一定程度上提高測量精度。采用相關接收的液位測量方法在設計實現(xiàn)上比脈沖回波法和振鈴回波法復雜，但集成電路技術水平的提高和芯片價格的下降為其應用提供了可能性。在液面波動嚴重和超聲衰減較大的介質場合，相關接收的優(yōu)勢將更加明顯。

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