CN215726245U - 一种低功耗高性能外壁式液位计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种低功耗高性能外壁式液位计，主要由液位计主机和测量探头组成，液位计主机包括微功耗处理器(MPU)及外围电路、信号发射电路、信号接收处理电路、接收信号电源控制电路、信号输出电路和低功耗显示屏；测量探头通过屏蔽线缆与液位计主机相连；通过微功耗处理器(MPU)内部集成的高速模数转换器(ADC)和低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器得到测量探头的原始回波数据，本实用新型的有益效果是，通过使用当前先进的高性能微功耗处理器并结合软件低功耗控制方法，优化了传统罐外测量液位计的微处理器、信号接收处理电路和信号输出电路的功耗。

Description

一种低功耗高性能外壁式液位计

技术领域

本实用新型涉及了液位计技术领域，具体为一种低功耗高性能外壁式液位计。

背景技术

在石油化工行业，高压、易燃、易爆、危险化学品等小型过程罐的液位检测中，应用传统的4～20mA两线制罐外测量液位计虽然功耗低(整机功耗小于84毫瓦)但测量速度太慢(信号发射周期在1秒以上，要输出可靠的测量结果至少也需要10秒以上)，应用传统的四线制罐外测量液位计虽然测量速度快(信号发射周期可以小到50毫秒，0.5秒多就能输出可靠的测量结果)但功耗太大(一般功耗都在3～5瓦)。

目前的罐外测量液位计普遍存在这个矛盾，要么受限于自身硬件功耗无法提高测量速度；要么为了达到较快的测量速度而牺牲了系统功耗。

基于此，本实用新型设计了一种低功耗高性能外壁式液位计，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低功耗高性能外壁式液位计，通过使用当前先进的高性能微功耗处理器并结合软件低功耗控制方法，优化了传统罐外测量液位计的微处理器、信号接收处理电路和信号输出电路的功耗，并把优化出来的功耗提供给信号发射电路，从而提高了系统的测量速度。在保证整机功耗小于84毫瓦的同时，使得信号发射周期能够做到100毫秒，1秒多就能输出可靠的测量结果，既保证了系统的低功耗又兼顾了系统的测量速度，以满足现场小型过程罐快速液位变化的测量需求，以解决上述背景技术中提出的问题。

为满足上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种低功耗高性能外壁式液位计，主要由液位计主机和测量探头组成，液位计主机包括微功耗处理器(MPU)及外围电路、信号发射电路、信号接收处理电路、接收信号电源控制电路、信号输出电路和低功耗显示屏；测量探头通过屏蔽线缆与液位计主机相连；

通过微功耗处理器(MPU)内部集成的高速模数转换器(ADC)和低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器得到测量探头的原始回波数据，再通过微功耗处理器(MPU)对原始回波数据进行软件滤波、数据处理和算法分析，根据回波信号的幅值要求，对信号接收处理电路的增益进行调节，直到回波信号的幅值满足要求，在回波信号满足要求后，对回波信号的位置进行时间计算(通过回波位置的采样点数和每个点的采样时间可以计算出来)，计算出回波时间后，依次放入一个测量缓冲区，然后对测量缓冲区的回波时间进行滤波分析，最终得到一个可靠的回波时间，得到的可靠回波时间乘以介质声速除以二就是罐内介质的液位高度。

微功耗处理器(MPU)采用意法半导体(ST)的微功耗高性能

核处理STM32L562RET6，工业级芯片最高主频110MHz，全速运行时最低功耗可达62uA/MHz@3V，是目前业界兼顾高性能且功耗很低的一款微功耗处理器(MPU)，其内部还集成了512K字节低功耗FLASH存储器、192K字节低功耗SRAM1存储器、64K字节低功耗SRAM2存储器(带硬件奇偶校验)、低功耗高速模数转换器(ADC)采样速率高达5Msps@12bit采样数据、低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器、16bit/32bit定时器等丰富外围。每个外围的电源均可通过程序单独开关，这给优化功耗带来了很大的优势，当一个外围不用时可以将其电源关闭，使用时打开，用完再关闭，这样使得微处理器的功耗能够最大化降低；

均采用了低功耗方案设计以及软件低功耗控制方法，使得优化出来的功耗可以提供给信号发射电路，以提高信号发射电路的信号发射周期，从而提高了系统的测量速度，以满足现场小型过程罐快速液位变化的测量需求。

信号发射电路主要由微功耗处理器内部脉宽调制(PWM)外围、N沟道场效应管(NMOS)和变压器组成，用于发射超声波脉冲激励信号。在激励时，微功耗处理器内部脉宽调制(PWM)外围产生一组脉冲信号驱动N沟道场效应管(NMOS)，变压器在N沟道场效应管(NMOS)的开关作用下，产生一组高压脉冲信号并发射到测量探头上。

信号接收处理电路主要由前端耦合限幅电路、滤波电路、微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚控制的两级可调增益放大电路组成。前端耦合限幅电路主要用于接收测量探头的回波信号；滤波电路主要用于滤除电路和回波上的干扰信号；两级可调增益放大电路主要用于对接收的回波信号进行放大调理，最后将放大调理后的信号接入微功耗处理器内部集成的高速模数转换器(ADC)。

接收信号电源控制电路主要由微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚和三极管组成，实际上也包含微功耗处理器内部的高速模数转换器(ADC)和低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器的电源控制。在信号接收处理电路工作前，微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚控制三极管导通，给接收电路部分供电；同时微功耗处理器内部的高速模数转换器(ADC)和低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器电源也需要打开；在低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器将模数转换器(ADC)的全部采样值搬运到内部SRAM1存储器后，微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚控制三极管截止以关闭接收电路供电，同时微功耗处理器内部的高速模数转换器(ADC)和低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器的电源也要关闭，以最大限度的减少系统功耗。

信号输出电路主要由微功耗处理器内部脉宽调制(PWM)外围、同向缓冲器、阻容(RC)滤波电路、微功耗运放、电流环芯片组成，主要实现了4～20mA电流输出信号，由微功耗处理器内部脉宽调制(PWM)外围控制输出电流，本电路是一个低成本微功耗的4～20mA电流输出电路；

低功耗显示屏主要由背光控制电路和128*64点阵的微功耗单色液晶显示屏(LCD)组成，主要实现了测量结果的输出显示，由微功耗处理器控制；

测量探头主要由前挡圈、压电陶瓷片、吸声材料、压电信号引线、后档圈、外筒组成。压电陶瓷片紧贴前挡圈，压电陶瓷片正、负端各引出一条线，压电陶瓷片后边是一层吸声材料(用于吸收和抑制杂波干扰)，最后是后挡圈，压电信号引线从后挡圈中心引出。

本实用新型的有益效果是，通过使用当前先进的高性能微功耗处理器并结合软件低功耗控制方法，优化了传统罐外测量液位计的微处理器、信号接收处理电路和信号输出电路的功耗，并把优化出来的功耗提供给信号发射电路，从而提高了系统的测量速度。在保证整机功耗小于84毫瓦的同时，使得信号发射周期能够做到100毫秒，1秒多就能输出可靠的测量结果，既保证了系统的低功耗又兼顾了系统的测量速度，以满足现场小型过程罐快速液位变化的测量需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一种低功耗高性能外壁式液位计的结构示意图；

图2是一种低功耗高性能外壁式液位计的信号发射电路结构示意图；

图3是一种低功耗高性能外壁式液位计的信号接收处理电路结构示意图；

图4是一种低功耗高性能外壁式液位计的接收信号电源控制电路结构示意图；

图5是一种低功耗高性能外壁式液位计的信号输出电路结构示意图；

图6是一种低功耗高性能外壁式液位计的低功耗显示屏结构示意图；

图7是一种低功耗高性能外壁式液位计的测量探头结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

外围电路1、信号发射电路2、信号接收处理电路3、接收信号电源控制电路4、信号输出电路5、低功耗显示屏6、测量探头7、外围驱动电路2-1、N沟道场效应管2-2、变压器2-3、前端耦合限幅电路3-1、滤波电路3-2、第一级可调增益放大电路3-3、第二级可调增益放大电路3-4、通用输入输出引脚4-1、三极管4-2、同向缓冲器5-1、阻容滤波电路5-2、微功耗运放5-3、电流环芯片5-4、背光控制电路6-1、液晶显示屏6-2、前挡圈7-1、压电陶瓷片7-2、吸声材料7-3、压电信号引线7-4、后档圈7-5、外筒7-6。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-7，本实用新型提供一种技术方案：如图1所示，一种低功耗高性能外壁式液位计，包括液位计主机和测量探头7，所述测量探头7通过屏蔽线缆与液位计主机连接，所述液位计主机包括微功耗处理器(STM32L562RET6 MPU)及外围电路1、信号发射电路2、信号接收处理电路3、接收信号电源控制电路4、信号输出电路5、低功耗显示屏6。微功耗处理器(MPU)通过脉宽调制(PWM1)与信号发射电路2连接，信号发射电路2与测量探头7连接；微功耗处理器(MPU)通过模数转换器(ADC)和通用输入输出(GPIO)引脚与信号接收处理电路3连接，信号接收处理电路3与与测量探头7连接；微功耗处理器(MPU)通过通用输入输出(GPIO)引脚与接收信号电源控制电路4连接，接收信号电源控制电路4控制着信号接收处理电路3的供电；微功耗处理器(MPU)通过脉宽调制(PWM2)与信号输出电路5连接；微功耗处理器(MPU)通过通用输入输出(GPIO)引脚与低功耗显示屏6连接。

如图2所示，信号发射电路2包括微功耗处理器内部脉宽调制(PWM)外围驱动电路2-1，N沟道场效应管(NMOS)2-2，变压器2-3；微功耗处理器内部脉宽调制(PWM)外围发出脉冲信号，通过电容C20隔直后，在经过电阻R46(即PWM外围驱动电路2-1的输出)与NMOS管2-2的栅极连接，NMOS管2-2源极接数字地，其中D6是双向瞬态保护二极管，分别与NMOS管2-2的漏极和源极连接，NMOS管2-2的漏极与变压器2-3初级的一端连接，变压器2-3初级的另一端与驱动电压Driver连接，变压器2-3次级一端与二极管D4、D5连接，D4、D5后端与C48、R49探头匹配电路连接，同时与测量探头7的接线端子(PZT)连接，变压器2-3次级的另一端接模拟地。

如图3所示，信号接收处理电路3包括前端耦合限幅电路3-1、滤波电路3-2、微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚控制的第一级可调增益放大电路3-3和第二级可调增益放大电路3-4；前端耦合限幅电路3-1的输入端为测量探头7的回波信号，经过保护电阻R23、耦合电容C49、再通过限幅电路D7后输出，前端耦合限幅电路3-1的输出连接到滤波电路3-2，滤波电路3-2除了提供滤波特性外，还为接收电路提供了直流偏置(VCC/2)，滤波电路3-2的输出连接到第一级可调增益放大电路3-3的低功耗运算放大器U12的同向端，经过第一级可调增益放大电路后，第一级可调增益放大电路3-3的输出端接入第二级可调增益放大电路3-4的输入端，经过第二级可调增益放大电路后，第二级可调增益放大电路3-4的输出端通过R24接入微功耗处理器内部集成的高速模数转换器(ADC)。

如图4所示，接收信号电源控制电路4包括微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚4-1和三极管4-2；在信号接收处理电路工作前，微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚4-1置低控制三极管4-2导通，给信号接收电路部分供电；在微功耗处理器内部的低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器将模数转换器(ADC)的全部采样值搬运到内部SRAM1存储器后，微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚4-1置高控制三极管4-2截止以关闭信号接收电路的供电，从而最大限度的减少系统功耗。(实际上，接收信号电源控制电路逻辑上也包含微功耗处理器内部的高速模数转换器(ADC)和低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器的电源控制，只不过这块的电源控制逻辑是在低功耗处理器内部用程序同步实现的，使用前打开相关外围电源，用完后关闭相关外围电源，目的就是最大化降低系统的功耗。

如图5所示，信号输出电路5包括微功耗处理器内部脉宽调制(PWM)外围和同向缓冲器5-1、阻容(RC)滤波电路5-2、微功耗运放5-3、电流环芯片5-4；当输出4～20mA电流信号时，微功耗处理器(MPU)通过脉宽调制(PWM)外围发送当前输出电流对应的PWM脉冲，通过同向缓冲器提高驱动能力，微功耗处理器内部脉宽调制(PWM)外围和同向缓冲器5-1的输出连接到阻容(RC)滤波电路5-2的输入端，通过R89和C75组成的RC滤波电路，将脉冲信号变成一个直流信号，阻容(RC)滤波电路5-2的输出端通过R90连接到微功耗运放5-3U19的3脚+INA同向输入端，微功耗运放5-3U19的1脚和2脚短接形成一个电压跟随器，微功耗运放5-3U19的电压跟随器通过R76连接到电流环芯片5-4U16的2脚IIN，电流环芯片5-4U16将IIN输入信号放大100倍后，就是4～20mA电流环最终的输出电流IO。

如图6所示，低功耗显示屏6包括背光控制电路6-1和128*64点阵的微功耗单色液晶显示屏(LCD)6-2；微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚LCD_BL与背光控制电路6-1的R13连接，背光控制电路6-1的输出通过R22连接到液晶显示屏(LCD)6-2的背光电源LEDA引脚上，LCD_BL置低三极管导通打开背光，LCD_BL置高三极管截止关闭背光，液晶显示屏(LCD)6-2的电路信号分别与微功耗处理器内部的通用输入输出(GPIO)引脚连接。

如图7所示，测量探头7包括前挡圈7-1、压电陶瓷片7-2、吸声材料7-3、压电信号引线7-4、后档圈7-5、外筒7-6；前挡圈7-1与外筒7-6在前端紧密连接，压电陶瓷片7-2采用1MHz高频探头，紧贴前挡圈7-1，吸声材料7-3灌封在压电陶瓷片7-2上边，用于吸收和抑制杂波干扰，压电信号引线7-4是从压电陶瓷片7-2的正、负银电极上引出的传感器信号，从后档圈7-5的中心穿出，后档圈7-5与外筒7-6后端紧密连接。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下就本发明在实际过程中的工作原理或者操作方式进行详细说明。

在实际使用过程中：本实用新型一种低功耗高性能外壁式液位计，微功耗处理器(MPU)及外围电路1选用STM32L562RET6低功耗高性能处理器，由微功耗处理器(MPU)的PWM1发射脉冲信号，经过信号发射电路2将低压脉冲信号转换为高压脉冲信号，高压脉冲信号连接到测量探头7，利用测量探头7的逆压电效应产生机械振动，机械振动波穿透罐壁进入罐内介质，在介质与空气的界面形成反射回波，反射回波从介质返回到罐壁，再从罐壁返回到测量探头7，利用测量探头7的压电效应使机械振动波转换为电信号；电信号经过信号接收处理电路3将信号滤波放大后，送入微功耗处理器(MPU)内部集成的低功耗高速模数转换器(ADC)，同时微功耗处理器(MPU)内部集成的低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器完成ADC采样数据到SRAM1存储器的搬运工作，在信号接收处理电路3工作前，接收信号电源控制电路4应提前给信号接收电路供电，同时微功耗处理器(MPU)内部集成的ADC和DMA外围供电也需要提前打开，等采样完后，接收信号电源控制电路4、微功耗处理器(MPU)内部集成的ADC和DMA外围供电均要关闭；搬运到低功耗SRAM1里的原始信号波形，需要通过微功耗处理器(MPU)进行软件滤波、数据处理和算法分析，根据回波信号的幅值要求，对信号接收处理电路3的增益进行调节，直到回波信号的幅值满足要求，在回波信号满足要求后，对回波信号的位置进行时间计算(通过回波位置的采样点数和每个点的采样时间可以计算出来)，计算出回波时间后，依次放入一个测量缓冲区，然后对测量缓冲区的回波时间进行滤波分析，最终得到一个可靠的回波时间，得到的可靠回波时间乘以介质声速除以二就是罐内介质的液位高度，计算出液位高度后可以通过信号输出电路5输出4～20mA电流到远端控制室，同时可以通过低功耗显示屏6本地显示；

通过微功耗处理器(MPU)内部集成的高速模数转换器(ADC)和低功耗直接存储器访问(DMA)协处理器得到测量探头(7)的原始回波数据，再通过微功耗处理器(MPU)对原始回波数据进行软件滤波、数据处理和算法分析，根据回波信号的幅值要求，对信号接收处理电路(3)的增益进行调节，直到回波信号的幅值满足要求，在回波信号满足要求后，对回波信号的位置进行时间计算(通过回波位置的采样点数和每个点的采样时间可以计算出来)，计算出回波时间后，依次放入一个测量缓冲区，然后对测量缓冲区的回波时间进行滤波分析，最终得到一个可靠的回波时间，得到的可靠回波时间乘以介质声速除以二就是罐内介质的液位高度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种低功耗高性能外壁式液位计，其特征在于，包括液位计主机和测量探头(7)，所述测量探头(7)通过屏蔽线缆与液位计主机连接，所述液位计主机包括微功耗处理器、外围电路(1)、信号发射电路(2)、信号接收处理电路(3)、接收信号电源控制电路(4)、信号输出电路(5)、低功耗显示屏(6)，所述微功耗处理器与信号发射电路(2)信号连接，所述微功耗处理器与信号接收处理电路(3)连接，所述微功耗处理器与接收信号电源控制电路(4)连接，所述微功耗处理器内部集成有高速模数转换器和低功耗直接存储器。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗高性能外壁式液位计，其特征在于，所述微功耗处理器采用意法半导体的处理器STM32L562RET6，所述微功耗处理器内部集成了512K字节低功耗FLASH存储器，所述微功耗处理器内部集成了192K字节低功耗SRAM1存储器，所述微功耗处理器内部集成了64K字节低功耗SRAM2存储器，其每个外围的电源设置有程序单独开关。

3.根据权利要求1所述的一种低功耗高性能外壁式液位计，其特征在于，所述信号输出电路(5)采用了微功耗的4～20mA电流环输出电路。

4.根据权利要求1所述的一种低功耗高性能外壁式液位计，其特征在于，所述测量探头(7)通过磁铁吸附在小型过程罐的底部外壁上。

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