一種磁致伸縮液位計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種磁致伸縮液位計(jì)，包括MCU主控單元、電源系統(tǒng)單元、液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元以及信號(hào)處理與采集單元，所述MCU主控單元分別與電源系統(tǒng)單元、液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元以及信號(hào)處理與采集單元相連；所述電源系統(tǒng)單元用于供電；所述液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元用于配置所述MCU主控單元以及顯示回波信號(hào)；所述信號(hào)處理與采集單元用于采集回波信號(hào)；所述MCU主控單元用于發(fā)出激勵(lì)信號(hào)并經(jīng)過(guò)延時(shí)測(cè)量盲區(qū)后控制所述信號(hào)處理與采集單元開(kāi)始采集回波信號(hào)。本發(fā)明能夠增加抗干擾能力，并且降低維護(hù)成本。
【專利說(shuō)明】一種磁致伸縮液位計(jì)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的液位測(cè)量?jī)x表，特別是涉及一種磁致伸縮液位計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，為適應(yīng)不同的測(cè)量工況，設(shè)計(jì)出不同的料位測(cè)量?jī)x表，如雷達(dá)物位計(jì)、超聲波物位計(jì)、電浮筒液位計(jì)、重錘液位計(jì)、射頻導(dǎo)納料開(kāi)關(guān)等，這類設(shè)備廣泛用于化工、石油、冶金、電廠、制造等場(chǎng)合，因此現(xiàn)場(chǎng)選型儀表的適用性，調(diào)試維護(hù)的方便性越來(lái)越受到用戶關(guān)注。
[0003]磁致伸縮液位計(jì)通常采用MCU主控制單元發(fā)送起始脈沖信號(hào)，此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與浮球中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲產(chǎn)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被壓電陶瓷元件檢測(cè)到并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖，將此脈沖做為回波脈沖，通過(guò)計(jì)算出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差，可精確地測(cè)出被測(cè)介質(zhì)的液位高度。
[0004]磁致伸縮液位計(jì)在實(shí)際使用過(guò)程中，由于振動(dòng)、周?chē)蓴_磁場(chǎng)、波導(dǎo)絲的剩磁或電子電路中噪聲等都會(huì)產(chǎn)生虛假的回波信號(hào)，當(dāng)此虛假信號(hào)超前真實(shí)回波信號(hào)到達(dá)比較判斷門(mén)限電路時(shí)，就會(huì)被誤判為回波信號(hào)，從而輸出虛假液位信息。
[0005]在返回信號(hào)檢測(cè)時(shí)多采用回波處理電路模塊單元給出參考電壓，當(dāng)回波信號(hào)大于此信號(hào)時(shí)，認(rèn)為是有效信號(hào)，否則為無(wú)效信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)干擾信號(hào)時(shí)，如果干擾信號(hào)比真實(shí)回波信號(hào)提前到達(dá)回波處理電路且干擾信號(hào)電壓大于參考電壓時(shí)，磁致伸縮就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸出信號(hào)。另外由于回波信號(hào)處理采用回波信號(hào)與參考電壓比較方式，在維護(hù)調(diào)試時(shí)，只能通過(guò)示波器查看回波信號(hào)幅度和干擾信號(hào)幅度，從而使維護(hù)調(diào)試非常麻煩。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種磁致伸縮液位計(jì)，使得維護(hù)調(diào)試更為簡(jiǎn)單。
[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種磁致伸縮液位計(jì)，能夠避免干擾信號(hào)。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:提供一種磁致伸縮液位計(jì)，包括MCU主控單元、電源系統(tǒng)單元、液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元以及信號(hào)處理與采集單元，所述MCU主控單元分別與電源系統(tǒng)單元、液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元以及信號(hào)處理與采集單元相連；所述電源系統(tǒng)單元用于供電；所述液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元用于配置所述MCU主控單元以及顯示回波信號(hào)；所述信號(hào)處理與采集單元用于采集回波信號(hào)；所述MCU主控單元用于發(fā)出激勵(lì)信號(hào)并經(jīng)過(guò)延時(shí)測(cè)量盲區(qū)后控制所述信號(hào)處理與采集單元開(kāi)始采集回波信號(hào)。
[0009]所述液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元包括液晶顯示屏、輕觸式按鍵和帶有I2C接口的I/O擴(kuò)展芯片；所述液晶顯示屏和輕觸式按鍵通過(guò)所述帶有I2C接口的I/O擴(kuò)展芯片與MCU主控單元相連。
[0010]所述電源系統(tǒng)單元包括3.3V穩(wěn)壓集成芯片和帶有電源輸入接口的安規(guī)保護(hù)電路。
[0011]所述信號(hào)處理與采集單元包括依次連接的信號(hào)濾波放大電路和Α/D采樣轉(zhuǎn)換電路。
[0012]所述的磁致伸縮液位計(jì)還包括與MUC主控單元相連的4 — 20MA輸出單元；所述4 - 20MA輸出單元為一支持I2C接口的D/Α轉(zhuǎn)換芯片和V/I變換電路，用于將檢測(cè)到的液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成4 - 20MA信號(hào)輸出到外部控制系統(tǒng)。
[0013]所述的磁致伸縮液位計(jì)還包括與MCU主控單元相連的按鍵調(diào)試與LED指示單元，所述按鍵調(diào)試與LED指示單元包括兩個(gè)按4/20MA標(biāo)定輕觸式按鍵和一個(gè)LED狀態(tài)指示燈。
[0014]所述的磁致伸縮液位計(jì)還包括與MCU主控單元相連的RAM擴(kuò)展單元,所述RAM擴(kuò)展單元為一 128KRAM外擴(kuò)芯片。
[0015]所述的磁致伸縮液位計(jì)還包括與MCU主控單元相連的HART模塊單元,所述HART模塊單元為HART接口芯片A5191及外圍電路。
[0016]所述的磁致伸縮液位計(jì)還包括與MCU主控單元相連的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元為一支持I2C接口 EEPROM芯片。
[0017]所述的磁致伸縮液位計(jì)還包括與MCU主控單元相連的看門(mén)狗模塊,所述看門(mén)狗模塊單元為一看門(mén)狗芯片。
[0018]有益效果
[0019]由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)采樣回波信號(hào)，并由MCU主控單元通過(guò)延時(shí)控制識(shí)別有效回波信號(hào)，增加抗干擾能力，并且增加液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試模塊，方便用戶現(xiàn)場(chǎng)查看回波信號(hào)、并且根據(jù)回波信號(hào)可以及時(shí)更改濾波方式及其它配置數(shù)據(jù)，降低了維護(hù)成本，并能及時(shí)有效地解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖2是本發(fā)明中回波信號(hào)處理電路框圖；
[0022]圖3是本發(fā)明中回波信號(hào)采樣流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
[0024]本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種磁致伸縮液位計(jì)，包括MCU主控單元、電源系統(tǒng)單元、液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元以及信號(hào)處理與采集單元，所述MCU主控單元分別與電源系統(tǒng)單元、液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元以及信號(hào)處理與采集單元相連；所述電源系統(tǒng)單元用于供電；所述液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元用于配置所述MCU主控單元以及顯示回波信號(hào)；所述信號(hào)處理與采集單元用于采集回波信號(hào)；所述MCU主控單元用于發(fā)出激勵(lì)信號(hào)并經(jīng)過(guò)延時(shí)測(cè)量盲區(qū)后控制所述信號(hào)處理與采集單元開(kāi)始采集回波信號(hào)。
[0025]本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)采樣回波信號(hào)，并由MCU主控單元通過(guò)延時(shí)控制識(shí)別有效回波信號(hào)，增加抗干擾能力，并且增加液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試模塊，方便用戶現(xiàn)場(chǎng)查看回波信號(hào)、并且根據(jù)回波信號(hào)可以及時(shí)更改濾波方式及其它配置數(shù)據(jù)，降低了維護(hù)成本，并能及時(shí)有效地解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。
[0026]下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的一種磁致伸縮液位計(jì)，它包括MCU主控制單元100、電源系統(tǒng)單元110、液晶與按鍵調(diào)試單元120、按鍵調(diào)試與LED指示單元130、信號(hào)處理與采集單元140,4 - 20MA輸出單元150、RAM擴(kuò)展單元160、HART模塊單元170、存儲(chǔ)模塊單元180和看門(mén)狗單元190,所述電源系統(tǒng)單元110、液晶與按鍵調(diào)試單元120、按鍵調(diào)試與LED指示單元130、信號(hào)處理與采集單元140、4 - 20MA輸出單元150、RAM擴(kuò)展單元160、HART模塊單元170、存儲(chǔ)模塊單元180和看門(mén)狗單元190分別與所述MCU主控制單元100相連接。
[0028]在本實(shí)施例中，MCU主控制單元100采用超低耗功能RENESAS M30系列的單片機(jī)，是各個(gè)模塊中央控制單元，該超低耗功能RENESAS M30系列的單片機(jī)具有延時(shí)功能。
[0029]在本實(shí)施例中，電源系統(tǒng)單元110包括3.3V穩(wěn)壓集成芯片和帶有電源輸入接口的安規(guī)保護(hù)電路，其中，安規(guī)保護(hù)電路包括TVS管和氧化膜電阻阻成的浪涌保護(hù)電路；共膜電感形成的共膜干擾抑制信號(hào)；安規(guī)格電容形成的靜電保護(hù)電路；三個(gè)二極管組成的防止反向電源接反的保護(hù)電路。3.3V穩(wěn)壓集成芯片用于將24V轉(zhuǎn)9V供提高發(fā)射信號(hào)功率的電路輸出的9V轉(zhuǎn)為3.3V。
[0030]在本實(shí)施例中，所述液晶與按鍵調(diào)試單元120包含液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元包含I2C接口的I/O擴(kuò)展芯片、C0G128*64液晶顯示屏和4個(gè)輕觸式按鍵。作為外擴(kuò)可選式配件，通過(guò)帶有I2C接口的I/O擴(kuò)展芯片與MCU主控制單元100連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，C0G128*64液晶顯示屏用于查看顯示回波信號(hào)、干擾信號(hào)的幅度與和起始發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔，4個(gè)輕觸式按鍵還可以用來(lái)通過(guò)配置系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)容，如量程、距離與電流校準(zhǔn)，HART通信地址，廠家信息等。
[0031]MCU主控制單元100將存儲(chǔ)在RAM擴(kuò)展單元160中的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波并根據(jù)液晶屏參數(shù)，將采樣數(shù)據(jù)成比例壓縮輸出到液晶顯示屏。X軸代表時(shí)間，Y軸代表信號(hào)幅度，原點(diǎn)為發(fā)射信號(hào)激勵(lì)起始點(diǎn)。這樣用戶就會(huì)很直接地從回波曲線上看到:發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)間差，回波信號(hào)的幅度。結(jié)合實(shí)際液位可以容易判斷哪個(gè)是干擾信號(hào)。因此增加的液晶顯示屏就類似示波器功能，用于顯示回波曲線信息。
[0032]在本實(shí)施例中，所述按鍵調(diào)試與LED指示單元130包括兩個(gè)按4/20MA標(biāo)定輕觸式按鍵和一個(gè)LED狀態(tài)指示燈。在未選配液晶與按鍵調(diào)試單元120時(shí)，4/20MA標(biāo)定輕觸式按鍵用于現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定4/20MA配置數(shù)據(jù)，LED狀態(tài)指示燈用于響應(yīng)按鍵標(biāo)定狀態(tài)。該單元與MCU主控制單元100之間I/O直接擴(kuò)展連接并采用掃描控制輸入輸出方式。
[0033]在本實(shí)施例中，所述信號(hào)處理與采集單元140是本發(fā)明的磁致伸縮液位計(jì)的信號(hào)處理關(guān)鍵部分。如圖2所示，所述信號(hào)處理與采集單元包括依次連接的信號(hào)濾波放大電路和Α/D采樣轉(zhuǎn)換電路。MCU主控制單元100控制發(fā)射幅度為9V、脈沖寬度為1us的激勵(lì)信號(hào)，當(dāng)發(fā)射的激勵(lì)信號(hào)遇到浮子時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力經(jīng)過(guò)壓電陶瓷轉(zhuǎn)成脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)濾波放大電路濾波放大，再由Α/D采樣轉(zhuǎn)換電路(如Σ -AADC采樣集成芯片)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)在RAM中供MCU主控制單元100處理。
[0034]如圖3所示，MCU主控制單元100控制發(fā)射激勵(lì)信號(hào)后，考慮到激勵(lì)信號(hào)與回波信號(hào)之間存在測(cè)量盲區(qū)，所以MCU主控制單元延時(shí)一小段時(shí)間(測(cè)量盲區(qū))后，將CS信號(hào)線變?yōu)榈碗娖?，控制信?hào)處理與采集單元140工作，開(kāi)始以2MHZ時(shí)鐘頻率連續(xù)Α/D采樣，并把采樣數(shù)據(jù)采用DMA方式直接存儲(chǔ)在外部RAM中。其中，量程大小決定連續(xù)采樣的時(shí)間長(zhǎng)度或采樣點(diǎn)數(shù)，例如量程3米，那么連續(xù)采樣的時(shí)間長(zhǎng)度3/340 = 8.82ms。采樣結(jié)束后，CS信號(hào)線變?yōu)楦唠娖?，關(guān)閉Σ - Λ ADC采樣集成芯片，使其進(jìn)入低耗模式，即使得控制信號(hào)處理與采集單元140處于低耗狀態(tài)。
[0035]在本實(shí)施例中，所述4 — 20ΜΑ輸出單元150包含I2C接口的13位的D/Α轉(zhuǎn)換芯片(ΜΑΧ5351)和V/I變換變換電路。MCU主控制單元100將處理得到的液位數(shù)據(jù)經(jīng)本單元轉(zhuǎn)化成線性電流，反饋給外部控制系統(tǒng)(如遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng))。
[0036]MCU主控制單元100將4 — 20ΜΑ輸出單元150中的1.2V DC精密參數(shù)電壓用13位的D/Α轉(zhuǎn)換芯片線性化，且在V/I變換變換電路中使用50歐姆的變換電阻，這樣系統(tǒng)檢測(cè)液位為零時(shí)，MCU主控制單元100給ΜΑΧ5351數(shù)據(jù)為(50*0.004/1.2)*213 = 1365。這樣就實(shí)現(xiàn)了液位數(shù)據(jù)到4?20ΜΑ輸出反饋信號(hào)。
[0037]在本實(shí)施例中，所述RAM擴(kuò)展單元160為一 IS62WV1288BLL RAN芯片，主要用于存儲(chǔ)MCU主控制單元100從信號(hào)處理與采集單元140讀取的回波采樣數(shù)據(jù)，便于在快速統(tǒng)計(jì)處理真實(shí)液位信息和提供在液晶屏顯示回波曲線的緩存數(shù)據(jù)。
[0038]在本實(shí)施例中，所述HART模塊單元170主要由Α5191芯片及相關(guān)電路和外部468ΚΗΖ陶瓷振蕩器組成，實(shí)現(xiàn)MCU主控制單元100與外面如DCS、HART手持器等操作控制系統(tǒng)連接通信，可以將儀表測(cè)量數(shù)據(jù)定時(shí)上傳外面監(jiān)控系統(tǒng)，也可以接受外面控制系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)，從而改變測(cè)量參數(shù)，如量程、回波曲線數(shù)據(jù)等。
[0039]在本實(shí)施例中，所述存儲(chǔ)模塊單元180為一 FM24LC4I2C接口 EEPROM芯片，用于保存系統(tǒng)配置信息，即使系統(tǒng)斷電也不影響EEPROM中保存的數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，MCU主控制單元100從此芯片中讀取現(xiàn)場(chǎng)儀表配置數(shù)據(jù)，如量程、距離、4/20MA校準(zhǔn)點(diǎn)、HART地址等數(shù)據(jù)。
[0040]在本實(shí)施例中，所述看門(mén)狗模塊單元190為一專用的看門(mén)狗芯片，當(dāng)系統(tǒng)超時(shí)未響應(yīng)喂狗信號(hào)時(shí)，看門(mén)狗芯片就會(huì)復(fù)位MCU主控制單元100，以防止系統(tǒng)程序受到意想不到的干擾時(shí)，快速恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)儀表工作狀態(tài)。
[0041]本發(fā)明的一種磁致伸縮液位計(jì)的MCU主控制單元通過(guò)延時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的采樣，并增加了可以顯示回波曲線的COG點(diǎn)陣液晶顯示屏。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是將回波信號(hào)判斷由單純的與參考電壓比較，改為由MCU延時(shí)采樣屏蔽干擾信號(hào)，以此增加儀表的可靠性，并且可以用外擴(kuò)液晶屏代替示波器查看回波信號(hào)信息，大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，提高了問(wèn)題解決效率。
【權(quán)利要求】
1.一種磁致伸縮液位計(jì)，包括MCU主控單元、電源系統(tǒng)單元、液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元以及信號(hào)處理與采集單元，其特征在于，所述MCU主控單元分別與電源系統(tǒng)單元、液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元以及信號(hào)處理與采集單元相連；所述電源系統(tǒng)單元用于供電；所述液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元用于配置所述MCU主控單元以及顯示回波信號(hào)；所述信號(hào)處理與采集單元用于采集回波信號(hào)；所述MCU主控單元用于發(fā)出激勵(lì)信號(hào)并經(jīng)過(guò)延時(shí)測(cè)量盲區(qū)后控制所述信號(hào)處理與采集單元開(kāi)始采集回波信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮液位計(jì)，其特征在于，所述液晶和按鍵外擴(kuò)調(diào)試單元包括液晶顯示屏、輕觸式按鍵和帶有I2C接口的I/O擴(kuò)展芯片；所述液晶顯示屏和輕觸式按鍵通過(guò)所述帶有I2C接口的I/O擴(kuò)展芯片與MCU主控單元相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮液位計(jì)，其特征在于，所述電源系統(tǒng)單元包括3.3V穩(wěn)壓集成芯片和帶有電源輸入接口的安規(guī)保護(hù)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮液位計(jì)，其特征在于，所述信號(hào)處理與采集單元包括依次連接的信號(hào)濾波放大電路和A/D采樣轉(zhuǎn)換電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮液位計(jì)，其特征在于，還包括與MUC主控單元相連的4 - 20MA輸出單元；所述4 一 20MA輸出單元為一支持I2C接口的D/A轉(zhuǎn)換芯片和V/I變換電路，用于將檢測(cè)到的液位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成4 - 20MA信號(hào)輸出到外部控制系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮液位計(jì)，其特征在于，還包括與MCU主控單元相連的按鍵調(diào)試與LED指示單元,所述按鍵調(diào)試與LED指示單元包括兩個(gè)按4/20MA標(biāo)定輕觸式按鍵和一個(gè)LED狀態(tài)指示燈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮液位計(jì)，其特征在于，還包括與MCU主控單元相連的RAM擴(kuò)展單元，所述RAM擴(kuò)展單元為一 128KRAM外擴(kuò)芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮液位計(jì)，其特征在于，還包括與MCU主控單元相連的HART模塊單元，所述HART模塊單元為HART接口芯片A5191及外圍電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮液位計(jì)，其特征在于，還包括與MCU主控單元相連的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元為一支持I2C接口 EEPROM芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮液位計(jì)，其特征在于，還包括與MCU主控單元相連的看門(mén)狗模塊，所述看門(mén)狗模塊單元為一看門(mén)狗芯片。
【文檔編號(hào)】G01F23/30GK104266728SQ201410588261
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】張志國(guó) 申請(qǐng)人:上海雄風(fēng)自控工程有限公司