CN102564533A - 一种基于伪码相关技术的超声波液位测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于伪码相关技术的超声波液位测量方法，包括单片机、超声波发射模块以及超声波接收模块，单片机产生的伪码信号经I/O电路的数字信号输出通道，作为调制信号加在调制电路的输入端，对调制电路产生的正弦波信号进行频率键控调制(FSK)，再经功率放大电路进行功率放大后驱动超声波发射传感器，向外发射超声波信号；超声波接收传感器接收到的超声波信号经前置运算放大电路进行放大后，解调电路对放大信号进行解调处理，检出伪码信号，该伪码信号经I/O电路的数字信号输入通道直接进入单片机，单片机将该伪码信号与调制码进行相关匹配运算以确定超声波的传输时间，从而计算待测液位。
Description
技术领域
本发明涉及一种液位测量方法，特别涉及是一种基于伪码相关技术的超声波液位测量方法。
背景技术
常规超声波测量仪采用单脉冲计时法进行测量，具体原理为：超声波发射探头在驱动信号作用下向外发射一定频率的超声波，在发射同时刻计数器开始计时，超声波碰到液面后立即返回，接收探头接收到回波后计数器立即停止计时。计时器所记时间就是超声波往返的时间，由此可以计算待测液位。
上述测量方法依靠接收到的回波触发计时器停止计时，但回波信号中信噪比较差，使得计时器计时误差较大，从而影响测量精度，导致测量精度较低。
鉴于以上缺陷，实有必要提供一种可以克服上述缺陷的超声波液位测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于伪码相关技术的超声波液位测量方法，测量方法精度高。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于伪码相关技术的超声波液位测量仪的测量方法，包括以下步骤：
(1)单片机产生伪码信号，并将该伪码信号经超声波发射模块的I/O通道输出，该伪码信号作为调制信号加在调制电路的输入端，对调制电路产生的正弦波进行调制，再经功率放大电路进行功率放大后驱动超声波发生传感器，向外发射超声波信号；
(2)液位测量仪的超声波发射传感器向外发射的超声波信号遇液面后原路返回，并被液位测量仪的超声波接收传感器接收，超声波传感器接收到该超声波信号后，将该超声波信号传输到运算放大电路内进行信号放大，该放大的信号接着被解调电路进行解调以检出其中的伪码信号，被检出的伪码信号经超声波接收模块的I/O通道输入到单片机内，单片机接收到该伪码信号后将该接收到的伪码信号与单片机产生的伪码信号进行相关匹配运算以得到该液位测量仪与液面的距离。
所述单片机根据以下步骤进行相关匹配运算：
(1)单片机产生的伪码信号记为b，接收到的伪码信号记为m，其中，信息码m是序列b迟延若干位得到的，则，信息码m与序列b之间的相关系数根据以下公式计算得到：
其中，Rbm(j)为信息码m与序列b之间的相关系数；
j为信息码m与序列b错位的个数；
i为信息码m中第i个元素；
p为信息码m的长度；
A为进行相关运算的两序列对应位码元相同的个数；
D为进行相关运算的两序列对应位码元不相同的个数；
(2)在步骤(1)得到的p个相关系数中，求取最大的相关系数，计最大值出现在第v次匹配运算对应的相关系数，则信息码m与序列b的延迟时间为：τk＝v*width，其中，τk为延迟时间，v为超声波信号传输的速度，width为信息码m的码元宽度，单位为秒；
(3)根据公式：D＝340*τk(米)，计算液位测量仪与液面的距离d，其中，D＝2d。
与现有技术相比，本发明基于伪码技术的超声波液位测量仪至少具有以下优点：(1)本发明将伪随机码及相关技术应用到超声波测量仪中，通过相关匹配运算确定超声波在介质中的传输时间，受噪声信号干扰较小，具有较高的测量精度；(2)本发明利用伪随机码对超声波信号进行频率键控调制(FSK)发射，提高了超声波有效测量范围；(3)本发明运用单片机对数据进行处理，易与其他系统或上位机进行通讯，实现超声波测量仪智能化。实验时，单片机产生伪随机码频率为6.25kHz，m序列码长度为255，平均测距精度为98％。
附图说明
图1是本发明基于伪码技术的超声波液位测量仪的使用状态图；
图2是本发明基于伪码技术的超声波液位测量仪的结构框图；
图3是本发明调制电路的电路结构图；
图4是本发明调节电路的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明基于伪码技术的超声波液位测量仪及其测量方法做详细描述：
请参阅图2所示，本发明基于伪码技术的超声波液位测量仪主要由单片机、超声波发射模块以及超声波接收模块构成。
所述单片机是液位测量仪的核心，承担着两项任务，其一是产生对超声波信号进行调制的m序列码(本系统序列码长度为255)；其二是完成调制码与信息码的相关匹配运算，并根据运算结果确定待测距离。
所述超声波发射模块包括I/O通道、调制电路、功率放大电路和超声波发射传感器。单片机产生的伪码信号经I/O电路的数字信号输出通道，作为调制信号加在调制电路的输入端，对调制电路产生的频率为40kHZ的正弦波信号进行频率键控调制(FSK)，再经功率放大电路进行功率放大后去驱动超声波发射传感器，向外发射超声波信号。
所述超声波接收模块包括前置运算放大电路、解调电路、I/O电路和超声波接收传感器。超声波接收传感器接收到的超声波信号经前置运算放大电路进行放大后，解调电路对放大信号进行解调处理，检出伪码信号，该伪码信号经I/O电路的数字信号输入通道直接进入单片机，单片机将该伪码信号与调制码进行相关匹配运算。
请特别参阅图3所示，所述调制电路包括调制器芯片XR2206，该调制器芯片XR2206的输入端连接有光电隔离电路，所述光电隔离电路的输入端与单片机产生的伪码信号连接，所述调制器芯片XR2206的输出端连接有第一运算放大器，该第一运算放大器的输出与超声波发射传感器相连。所述调制器芯片XR2206的管脚Wout通过串联的电容C4和电阻R8连接在第一运算放大器的反向输入端，所述调制器芯片XR2206的管脚Tres通过串联的电阻R7和电阻R9连接在第二运算放大器的同相输入端，其中，电阻R7和电阻R9之间的接点接地，所述第二运算放大器的输出端与反向输入端之间进一步连接有电阻Rf。
请特别参阅图4所示，所述解调电路包括调解器芯片XR-2211，该调解器芯片XR-2211的输入端连接有相连串联的第二运算放大器和第三运算放大器，所述调解器芯片XR-2211的输出端连接有光电分离电路，该光电分离电路的输出端与单片机相连。所述第二运算放大器的同相输入端连接有串联连接的电阻R10和电阻R11，第二运算放大器的同相输入端连接在电阻R10和电阻R11之间的接点，所述第二运算放大器的反相输入端通过串联的电容C5和电阻Ri与超声波接收传感器相连，所述第二运算放大器的输出端与反向输入端之间连接有串联的电阻R12和电阻Rf2，其中，所述电阻R12和电阻Rf2之间的接点通过电阻R13接地；所述第二运算放大器的输出端通过电阻R16连接在第三运算放大器的反向输入端，所述第三运算放大器的同相输入端通过电阻R15和电阻R14接地，所述第三运算放大器的同相输入端连接在电阻R15和电阻R14之间的接点，所述第三运算放大器的输出端与反向输入端之间连接有电阻R17，所述第三运算放大器的输出端连接在调解器芯片XR-2211的输入端；所述调解器芯片XR-2211的输出端通过短租RES2连接在光电分离电路的输入端。
请结合图1所示，本发明液位测量仪的测量方法为：
(1)单片机产生伪码信号，并将该伪码信号经I/O通道输出，该伪码信号作为调制信号加在调制电路的输入端，对调制电路产生的正弦波进行调制，再经功率放大电路进行功率放大后驱动超声波发生传感器，向外发射超声波信号；
(2)液位测量仪的超声波发射传感器向外发射的超声波信号遇水面后原路返回，并被液位测量仪的超声波接收传感器接收，超声波传感器接收到该超声波信号后，将该超声波信号传输到运算放大电路内进行信号放大，该放大的信号接着被解调电路进行解调以检出其中的伪码信号，被检出的伪码信号经I/O通道输入到单片机内，单片机接收到该伪码信号后将该接收到的伪码信号与单片机产生的伪码信号进行相关匹配运算已得到该液位测量仪与液面的距离。
所述单片机将接收到的伪码信号与单片机产生的伪码信号进行相关匹配运算，以得到该液位测量仪与液面的距离，具体采用以下方法：
(1)单片机产生的伪码信号记为b，接收到的伪码信号记为m，其中，
信息码m是序列b迟延若干位得到的，则，信息码m与序列b之间的相关系数根据以下公式计算得到：
其中，Rbm(j)为信息码m与序列b之间的相关系数；
j为信息码m与序列b错位的个数；
i为信息码m中第i个元素；
p为信息码m的长度；
A为进行相关运算的两序列对应位码元相同的个数；
D为进行相关运算的两序列对应位码元不相同的个数；
(2)在步骤(1)得到的p个相关系数中，求取最大的相关系数，计最大值出现在第v次匹配运算对应的相关系数，则信息码m与序列b的延迟时间为：τk＝v*width，其中，τk为延迟时间，v为超声波信号传输的速度，width为信息码m的码元宽度，单位为秒；
(3)根据公式：D＝340*τk(米)，计算液位测量仪与液面的距离d，其中，D＝2d。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (2)
1.一种基于伪码相关技术的超声波液位测量仪的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)单片机产生伪码信号，并将该伪码信号经I/O通道输出，该伪码信号作为调制信号加在调制电路的输入端，对调制电路产生的正弦波进行频率键控调制，再经功率放大电路进行功率放大后驱动超声波发生传感器，向外发射超声波信号；
(2)液位测量仪的超声波发射传感器向外发射的超声波信号遇水面后原路返回，并被液位测量仪的超声波接收传感器接收，超声波传感器接收到该超声波信号后，将该超声波信号传输到运算放大电路内进行信号放大，该放大的信号接着被解调电路进行解调以检出其中的伪码信号，被检出的伪码信号经I/O通道输入到单片机内，单片机接收到该伪码信号后将该接收到的伪码信号与单片机产生的伪码信号进行相关匹配运算以得到该液位测量仪与液面的距离。
2.如权利要求1所述的基于伪码技术的超声波液位测量仪，其特征在于：所述单片机根据以下步骤进行相关匹配运算：
(1)单片机产生的伪码信号记为b，接收到的伪码信号记为m，其中，信息码m是序列b迟延若干位得到的，则，信息码m与序列b之间的相关系数根据以下公式计算得到：
其中，Rbm(j)为信息码m与序列b之间的相关系数；
j为信息码m与序列b错位的个数；
i为信息码m中第i个元素；
p为信息码m的长度；
A为进行相关运算的两序列对应位码元相同的个数；
D为进行相关运算的两序列对应位码元不相同的个数；
(2)在步骤(1)得到的p个相关系数中，求取最大的相关系数，计最大值出现在第v次匹配运算对应的相关系数，则信息码m与序列b的延迟时间为：τk＝v*width，其中，τk为延迟时间，v为超声波信号传输的速度，width为信息码m的码元宽度，单位为秒；
(3)根据公式：D＝340*τk(米)，计算液位测量仪与液面的距离d，其中，D＝2d。
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