超声波液位计在电子测量技术中的应用

摘要：文中介绍采用相关接收技术的超声波液位计。此方法充分利用收发信号的相关性，不仅显著增强液位计的检测能力，而且有效克服传统方法中接收信号强度变化对误差的影响。实验表明，该方法具有优良的测量精度。

关键词：超声波液位计

传统超声波液位计中通常采用的方法是脉冲回波法和振铃回波法。这两种方法的优点是收发电路和信号处理电路简单、造价低廉。但是，由于接收信号是一段已被调幅的正弦波，当接收信号强度随液位高度及液面波动变化时将会增大测量误差，当接收信号强度过低时甚至可能无法检测。增加信号强度的方法是提高发射信号的功率，但在很大程度上会受到换能器的限制。

本文将介绍一种采用相关接收技术的超声波液位计，其发射信号是连续的、受伪随机码调制的等幅正弦波，利用收发信号的相关性提高液位计的检测能力，从而获得较满意的测量精度和可靠性。由于采用了连续的发射信号，在接收电路中可以非常容易地加入自动增益控制电路，以克服接收信号强度变化对测量精度影响。该系统还可实现现场编程，能够在不改变系统硬件结构的前提下，通过修改软件现场调整、改进系统的性能。

1系统构成及测量原理

测量系统的主要构成（见图1）包括AD转换器、D/A转换器、功率放大器（PA）、接收放大器（RA）、信号处理模块和数字信号处理器（DSP）等几部分。采用直接数字合成技术生成的发射信号驱动功率放大电路，由功率放大器产生发射换能器所需的激励功率。接收放大器将视接收信号的强度自动调整增益，使输出至AD转换器的信号电平保持基本不变，减弱液位高度变化及液面的波动对信号接收处理电路的影响。在本设计中，DA转换器与AD转换器分别选用TI的TLCS602和Analog的AD9057。信号处理模块的

功能是产生发射信号、处理接收信号并计算收发时间差，DSP完成测量数据处理、测量结果显示等工作，并可以实现与其他设备的通信功能。

信号处理模块是系统的核心，包括数控振荡器、伪码发生器、伪码同步电路和时延测量电路、LCD显示控制电路和UART等几部分。信号处理模块的逻辑功能由一片EP1K50实现，工作频率为10MHz，可以通过JTAG接口1对信号处理模块进行现场编程。发射信号是正弦波经伪随机码调相后产生的，调制方式为BPSK。发射信号的产生采用了直接数字合成技术（DDS），由D/A转换器、数控振荡器NCO、数字调制器DM和伪码发生器实现。在NOO中使用了32位的相位累加器，在10MHz的工作频率下，输出频率的分辨率可优于0.003Hz。从图2中可以看出，NCO输出的两路信号一方面作为接收信号的正交载波提供给接收信号处理单

元，另一方面数字正弦波又作为发射信号的载波供数字调制器使用。接收信号处理单元实现接收信号的解调、伪码的捕获与锁定和时延测量。当系统处于锁定状态时，即可测出收发信号的时间差。接收信号处理的实现方法与扩频接收机类似，本文从略。

2数据处理与DSP的现场编程

信号处理模块测量到收发时间差后，由DSP完成液位高度的换算与数据处理。在本设计中，DSP采用TI的TMS320VC5402。它在完成液位测量的同时，还可以轻松实现测量结果的显示、信号处理模块的设置及通信等功能，但显示与通信功能需结合CPLD中的LCD显示模块和UART模块才能实现。由于伪随机码的长度受制于量程、测量速度及超声的衰减等诸多因素，换能器的工作频率与带宽又会影响码元宽度和发射信号频率的选择。为使液位计具有较强的适应性，DSP可以根据从UART获得的命令与数据对伪随机码长度、码元宽度、发射频率和声速等参数重新设置，并将设置参数保存在片外的EEPROM中。与通常的DSP独立系统类似，C5402上电复位后，通过自装载【3】将应用程序从片外存储器移至片内存储器中以提高运行速度，这就使得现场编程变得较为困难。

在本设计中，自装载模式选用8bit串行EEPROM模式，通过编写EEPROM写入程序并添加部分程序段，实现了C5402的现场编程，并依靠对EEPROM写保护端的控制完成独立运行与现场编程的切换。汇编器和链接器产生的目标文件由仿真器通过JTAG接口2被下载到C5402后，首先运行EEPROM写入程序。写入程序通过判断EEPROM写等待时间是否超时决定系统的工作模式。如果超时则退出写入程序，应用程序正常运行。否则写入程序读取程序段的内容并依次写入EEPROM进行现场编程，现场编程结束后，写入程序退出，C5402运行其他应用程序。

3实验结果

在实现中使用两个1.25MHz的超声换能器分别完成发射和接收，以避免连续的发射信号对接收换能器的影响。伪码发生器设置为4级线性反馈移位寄存器，输出15bit的m序列伪随机码，码元速率为1kHz。采用普通水为被测液体，测量误差小于2mm。考虑到温度、声速、换能器带宽及数据处理方法等诸多因素对测量结果的影响，可以预计如果从增加温度补偿或声带校准、数据处理方法、发射功率、增大码元宽度或伪码长度等几个方面着手加以改进能够在一定程度上提高测量精度。采用相关接收的液位测量方法在设计实现上比脉冲回波法和振铃回波法复杂，但集成电路技术水平的提高和芯片价格的下降为其应用提供了可能性。在液面波动严重和超声衰减较大的介质场合，相关接收的优势将更加明显。

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