CN104266728A - 一种磁致伸缩液位计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁致伸缩液位计，包括MCU主控单元、电源系统单元、液晶和按键外扩调试单元以及信号处理与采集单元，所述MCU主控单元分别与电源系统单元、液晶和按键外扩调试单元以及信号处理与采集单元相连；所述电源系统单元用于供电；所述液晶和按键外扩调试单元用于配置所述MCU主控单元以及显示回波信号；所述信号处理与采集单元用于采集回波信号；所述MCU主控单元用于发出激励信号并经过延时测量盲区后控制所述信号处理与采集单元开始采集回波信号。本发明能够增加抗干扰能力，并且降低维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化领域中的液位测量仪表，特别是涉及一种磁致伸缩液位计。
背景技术
在工业自动化领域中，为适应不同的测量工况，设计出不同的料位测量仪表，如雷达物位计、超声波物位计、电浮筒液位计、重锤液位计、射频导纳料开关等，这类设备广泛用于化工、石油、冶金、电厂、制造等场合，因此现场选型仪表的适用性，调试维护的方便性越来越受到用户关注。
磁致伸缩液位计通常采用MCU主控制单元发送起始脉冲信号，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝产生扭动，这一扭动被压电陶瓷元件检测到并转换成相应的脉冲，将此脉冲做为回波脉冲，通过计算出两个脉冲之间的时间差，可精确地测出被测介质的液位高度。
磁致伸缩液位计在实际使用过程中，由于振动、周围干扰磁场、波导丝的剩磁或电子电路中噪声等都会产生虚假的回波信号，当此虚假信号超前真实回波信号到达比较判断门限电路时，就会被误判为回波信号，从而输出虚假液位信息。
在返回信号检测时多采用回波处理电路模块单元给出参考电压，当回波信号大于此信号时，认为是有效信号，否则为无效信号。当系统出现干扰信号时，如果干扰信号比真实回波信号提前到达回波处理电路且干扰信号电压大于参考电压时，磁致伸缩就会产生错误的输出信号。另外由于回波信号处理采用回波信号与参考电压比较方式，在维护调试时，只能通过示波器查看回波信号幅度和干扰信号幅度，从而使维护调试非常麻烦。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种磁致伸缩液位计，使得维护调试更为简单。
本发明所要解决的技术问题是提供一种磁致伸缩液位计，能够避免干扰信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种磁致伸缩液位计，包括MCU主控单元、电源系统单元、液晶和按键外扩调试单元以及信号处理与采集单元，所述MCU主控单元分别与电源系统单元、液晶和按键外扩调试单元以及信号处理与采集单元相连；所述电源系统单元用于供电；所述液晶和按键外扩调试单元用于配置所述MCU主控单元以及显示回波信号；所述信号处理与采集单元用于采集回波信号；所述MCU主控单元用于发出激励信号并经过延时测量盲区后控制所述信号处理与采集单元开始采集回波信号。
所述液晶和按键外扩调试单元包括液晶显示屏、轻触式按键和带有I2C接口的I/O扩展芯片；所述液晶显示屏和轻触式按键通过所述带有I2C接口的I/O扩展芯片与MCU主控单元相连。
所述电源系统单元包括3.3V稳压集成芯片和带有电源输入接口的安规保护电路。
所述信号处理与采集单元包括依次连接的信号滤波放大电路和A/D采样转换电路。
所述的磁致伸缩液位计还包括与MUC主控单元相连的4－20MA输出单元；所述4－20MA输出单元为一支持I2C接口的D/A转换芯片和V/I变换电路，用于将检测到的液位数据转成4－20MA信号输出到外部控制系统。
所述的磁致伸缩液位计还包括与MCU主控单元相连的按键调试与LED指示单元，所述按键调试与LED指示单元包括两个按4/20MA标定轻触式按键和一个LED状态指示灯。
所述的磁致伸缩液位计还包括与MCU主控单元相连的RAM扩展单元，所述RAM扩展单元为一128KRAM外扩芯片。
所述的磁致伸缩液位计还包括与MCU主控单元相连的HART模块单元，所述HART模块单元为HART接口芯片A5191及外围电路。
所述的磁致伸缩液位计还包括与MCU主控单元相连的数据存储单元，所述数据存储单元为一支持I2C接口EEPROM芯片。
所述的磁致伸缩液位计还包括与MCU主控单元相连的看门狗模块，所述看门狗模块单元为一看门狗芯片。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过实时采样回波信号，并由MCU主控单元通过延时控制识别有效回波信号，增加抗干扰能力，并且增加液晶和按键外扩调试模块，方便用户现场查看回波信号、并且根据回波信号可以及时更改滤波方式及其它配置数据，降低了维护成本，并能及时有效地解决现场问题。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明中回波信号处理电路框图；
图3是本发明中回波信号采样流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种磁致伸缩液位计，包括MCU主控单元、电源系统单元、液晶和按键外扩调试单元以及信号处理与采集单元，所述MCU主控单元分别与电源系统单元、液晶和按键外扩调试单元以及信号处理与采集单元相连；所述电源系统单元用于供电；所述液晶和按键外扩调试单元用于配置所述MCU主控单元以及显示回波信号；所述信号处理与采集单元用于采集回波信号；所述MCU主控单元用于发出激励信号并经过延时测量盲区后控制所述信号处理与采集单元开始采集回波信号。
本发明通过实时采样回波信号，并由MCU主控单元通过延时控制识别有效回波信号，增加抗干扰能力，并且增加液晶和按键外扩调试模块，方便用户现场查看回波信号、并且根据回波信号可以及时更改滤波方式及其它配置数据，降低了维护成本，并能及时有效地解决现场问题。
下面结合附图，进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的一种磁致伸缩液位计，它包括MCU主控制单元100、电源系统单元110、液晶与按键调试单元120、按键调试与LED指示单元130、信号处理与采集单元140、4－20MA输出单元150、RAM扩展单元160、HART模块单元170、存储模块单元180和看门狗单元190，所述电源系统单元110、液晶与按键调试单元120、按键调试与LED指示单元130、信号处理与采集单元140、4－20MA输出单元150、RAM扩展单元160、HART模块单元170、存储模块单元180和看门狗单元190分别与所述MCU主控制单元100相连接。
在本实施例中，MCU主控制单元100采用超低耗功能RENESAS M30系列的单片机，是各个模块中央控制单元，该超低耗功能RENESAS M30系列的单片机具有延时功能。
在本实施例中，电源系统单元110包括3.3V稳压集成芯片和带有电源输入接口的安规保护电路，其中，安规保护电路包括TVS管和氧化膜电阻阻成的浪涌保护电路；共膜电感形成的共膜干扰抑制信号；安规格电容形成的静电保护电路；三个二极管组成的防止反向电源接反的保护电路。3.3V稳压集成芯片用于将24V转9V供提高发射信号功率的电路输出的9V转为3.3V。
在本实施例中，所述液晶与按键调试单元120包含液晶和按键外扩调试单元包含I2C接口的I/O扩展芯片、COG128*64液晶显示屏和4个轻触式按键。作为外扩可选式配件，通过带有I2C接口的I/O扩展芯片与MCU主控制单元100连接实现数据传输，COG128*64液晶显示屏用于查看显示回波信号、干扰信号的幅度与和起始发射信号的时间间隔，4个轻触式按键还可以用来通过配置系统设置内容，如量程、距离与电流校准，HART通信地址，厂家信息等。
MCU主控制单元100将存储在RAM扩展单元160中的数据经滤波并根据液晶屏参数，将采样数据成比例压缩输出到液晶显示屏。X轴代表时间，Y轴代表信号幅度，原点为发射信号激励起始点。这样用户就会很直接地从回波曲线上看到：发射信号与回波信号的时间差，回波信号的幅度。结合实际液位可以容易判断哪个是干扰信号。因此增加的液晶显示屏就类似示波器功能，用于显示回波曲线信息。
在本实施例中，所述按键调试与LED指示单元130包括两个按4/20MA标定轻触式按键和一个LED状态指示灯。在未选配液晶与按键调试单元120时，4/20MA标定轻触式按键用于现场标定4/20MA配置数据，LED状态指示灯用于响应按键标定状态。该单元与MCU主控制单元100之间I/O直接扩展连接并采用扫描控制输入输出方式。
在本实施例中，所述信号处理与采集单元140是本发明的磁致伸缩液位计的信号处理关键部分。如图2所示，所述信号处理与采集单元包括依次连接的信号滤波放大电路和A/D采样转换电路。MCU主控制单元100控制发射幅度为9V、脉冲宽度为10us的激励信号，当发射的激励信号遇到浮子时产生的扭转力经过压电陶瓷转成脉冲信号，经信号滤波放大电路滤波放大，再由A/D采样转换电路(如∑-△ADC采样集成芯片)转换成数字信号，存储在RAM中供MCU主控制单元100处理。
如图3所示，MCU主控制单元100控制发射激励信号后，考虑到激励信号与回波信号之间存在测量盲区，所以MCU主控制单元延时一小段时间(测量盲区)后，将CS信号线变为低电平，控制信号处理与采集单元140工作，开始以2MHZ时钟频率连续A/D采样，并把采样数据采用DMA方式直接存储在外部RAM中。其中，量程大小决定连续采样的时间长度或采样点数，例如量程3米，那么连续采样的时间长度3/340＝8.82ms。采样结束后，CS信号线变为高电平，关闭∑-△ADC采样集成芯片，使其进入低耗模式，即使得控制信号处理与采集单元140处于低耗状态。
在本实施例中，所述4－20MA输出单元150包含I2C接口的13位的D/A转换芯片(MAX5351)和V/I变换变换电路。MCU主控制单元100将处理得到的液位数据经本单元转化成线性电流，反馈给外部控制系统(如远程监控系统)。
MCU主控制单元100将4－20MA输出单元150中的1.2V DC精密参数电压用13位的D/A转换芯片线性化，且在V/I变换变换电路中使用50欧姆的变换电阻，这样系统检测液位为零时，MCU主控制单元100给MAX5351数据为(50*0.004/1.2)*213＝1365。这样就实现了液位数据到4～20MA输出反馈信号。
在本实施例中，所述RAM扩展单元160为一IS62WV1288BLL RAN芯片，主要用于存储MCU主控制单元100从信号处理与采集单元140读取的回波采样数据，便于在快速统计处理真实液位信息和提供在液晶屏显示回波曲线的缓存数据。
在本实施例中，所述HART模块单元170主要由A5191芯片及相关电路和外部468KHZ陶瓷振荡器组成，实现MCU主控制单元100与外面如DCS、HART手持器等操作控制系统连接通信，可以将仪表测量数据定时上传外面监控系统，也可以接受外面控制系统的配置数据，从而改变测量参数，如量程、回波曲线数据等。
在本实施例中，所述存储模块单元180为一FM24LC4I2C接口EEPROM芯片，用于保存系统配置信息，即使系统断电也不影响EEPROM中保存的数据，当系统上电时，MCU主控制单元100从此芯片中读取现场仪表配置数据，如量程、距离、4/20MA校准点、HART地址等数据。
在本实施例中，所述看门狗模块单元190为一专用的看门狗芯片，当系统超时未响应喂狗信号时，看门狗芯片就会复位MCU主控制单元100，以防止系统程序受到意想不到的干扰时，快速恢复现场仪表工作状态。
本发明的一种磁致伸缩液位计的MCU主控制单元通过延时实现对回波信号的采样，并增加了可以显示回波曲线的COG点阵液晶显示屏。本发明的主要优点是将回波信号判断由单纯的与参考电压比较，改为由MCU延时采样屏蔽干扰信号，以此增加仪表的可靠性，并且可以用外扩液晶屏代替示波器查看回波信号信息，大大简化了现场调试时间，提高了问题解决效率。
Claims (10)
1.一种磁致伸缩液位计，包括MCU主控单元、电源系统单元、液晶和按键外扩调试单元以及信号处理与采集单元，其特征在于，所述MCU主控单元分别与电源系统单元、液晶和按键外扩调试单元以及信号处理与采集单元相连；所述电源系统单元用于供电；所述液晶和按键外扩调试单元用于配置所述MCU主控单元以及显示回波信号；所述信号处理与采集单元用于采集回波信号；所述MCU主控单元用于发出激励信号并经过延时测量盲区后控制所述信号处理与采集单元开始采集回波信号。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计，其特征在于，所述液晶和按键外扩调试单元包括液晶显示屏、轻触式按键和带有I2C接口的I/O扩展芯片；所述液晶显示屏和轻触式按键通过所述带有I2C接口的I/O扩展芯片与MCU主控单元相连。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计，其特征在于，所述电源系统单元包括3.3V稳压集成芯片和带有电源输入接口的安规保护电路。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计，其特征在于，所述信号处理与采集单元包括依次连接的信号滤波放大电路和A/D采样转换电路。
5.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计，其特征在于，还包括与MUC主控单元相连的4－20MA输出单元；所述4－20MA输出单元为一支持I2C接口的D/A转换芯片和V/I变换电路，用于将检测到的液位数据转成4－20MA信号输出到外部控制系统。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计，其特征在于，还包括与MCU主控单元相连的按键调试与LED指示单元，所述按键调试与LED指示单元包括两个按4/20MA标定轻触式按键和一个LED状态指示灯。
7.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计，其特征在于，还包括与MCU主控单元相连的RAM扩展单元，所述RAM扩展单元为一128KRAM外扩芯片。
8.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计，其特征在于，还包括与MCU主控单元相连的HART模块单元，所述HART模块单元为HART接口芯片A5191及外围电路。
9.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计，其特征在于，还包括与MCU主控单元相连的数据存储单元，所述数据存储单元为一支持I2C接口EEPROM芯片。
10.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计，其特征在于，还包括与MCU主控单元相连的看门狗模块，所述看门狗模块单元为一看门狗芯片。
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