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由磁致伸縮傳感器構(gòu)成的液位測量系統(tǒng)主要包括脈沖激發(fā)、信號(hào)檢測、信號(hào)濾波及放大、液位計(jì)算與輸出、數(shù)據(jù)通信等部分。信號(hào)檢測和濾波是磁致伸縮液位傳感器實(shí)現(xiàn)高精度測量的關(guān)鍵因素。隨著半導(dǎo)體制作工藝的發(fā)展和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn)，DSP芯片以其更強(qiáng)的功能、更快的速度、更小的體積和功耗、更低的價(jià)格等優(yōu)勢(shì)帶來了更多的應(yīng)用思路。利用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測、濾波和液位結(jié)果計(jì)算與輸出。

1、磁致伸縮液位傳感器誤差原因與提高精度的方法

磁致伸縮液位傳感器具有測量精度高、使用壽命長、耐腐蝕、耐塵、耐壓、耐高溫、耐高振蕩等一系列特點(diǎn)，已在行程測量和液位測量中得到了愈來愈多的應(yīng)用。但由于其測量原理是通過計(jì)算兩個(gè)不同磁場相交所產(chǎn)生應(yīng)變脈沖信號(hào)的時(shí)間周期，再根據(jù)超聲波的傳遞速度獲得準(zhǔn)確的位置值。測量過程中,傳感器內(nèi)波導(dǎo)管的電流脈沖和應(yīng)變脈沖不可避免地對(duì)測量的輸出信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾，強(qiáng)度可以達(dá)到滿量程的012%。在一些模擬控制系統(tǒng)中，影響程度不明顯，可以忽略。若對(duì)高精度的數(shù)字式控制系統(tǒng)，影響程度很明顯，甚至影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須予以消除。針對(duì)這些干擾信號(hào)，最好的方法就是采用濾波處理來濾除這些系統(tǒng)的干擾信號(hào)，提取出所需要的實(shí)際信號(hào)。

2、DSP的磁致伸縮液位傳感器的硬件構(gòu)成

傳統(tǒng)的磁致伸縮液位傳感器系統(tǒng)中出現(xiàn)的硬件濾波電路，由于硬件濾波電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)調(diào)整不易和系統(tǒng)性能易受環(huán)境影響、容易引起電子噪聲等缺點(diǎn)，系統(tǒng)中用數(shù)字濾波方法來替代?；贒SP的磁致伸縮液位傳感器系統(tǒng)的硬件主要由激勵(lì)脈沖電路、放大電路、TMS320F2812、液晶顯示電路、串口通信電路等部分組成。DSP先給激勵(lì)脈沖電路發(fā)送一個(gè)激勵(lì)脈沖，然后激勵(lì)脈沖電路產(chǎn)生大電流脈沖，輸入波導(dǎo)絲產(chǎn)生環(huán)繞磁場。該磁場傳播到位置磁鐵處和其垂直磁場作用,因磁致伸縮效應(yīng)在該處產(chǎn)生磁致扭轉(zhuǎn)波，并以通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的約為21838mm/μs的波速傳回，遇到檢測裝置，檢測裝置把機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，但幅值較小，需要進(jìn)行放大，然后DSP開始采集放大后的信號(hào)，讀取采集信號(hào)數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行FIR數(shù)字濾波后，接著得到液位測量值L，然后輸出到LCD上顯示，并用于通信。

3、DSP的磁致伸縮液位傳感器的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用全采樣法，即DSP發(fā)送激勵(lì)脈沖的同時(shí)，開始啟動(dòng)AD，一直采樣，直到所設(shè)置的全量程數(shù)據(jù)采集完畢 ,然后對(duì)所采集的全量程數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR濾波處理，尋找波形的特征點(diǎn)，A/D轉(zhuǎn)換速率是已知的，進(jìn)而能求得特征點(diǎn)處的時(shí)間，乘以波速即得液位。通過尋找回波信號(hào)的特征點(diǎn)求取液位的方法有以下優(yōu)點(diǎn)：①由于波導(dǎo)絲本身的不連續(xù)性，超聲波在傳播過程中會(huì)發(fā)生幅值上的衰減,采用比較器檢測的方式，比較器的門限電平是預(yù)先設(shè)定的，會(huì)使翻轉(zhuǎn)時(shí)間推后，造成較大的測量誤差。采用提取特征點(diǎn)的方法可以有效避免干擾；②不需要這些檢測電路，大大節(jié)約了系統(tǒng)的硬件數(shù)量，避免了太多硬件電路所造成的電子干擾。便于進(jìn)行數(shù)字濾波，充分發(fā)揮數(shù)字濾波的優(yōu)點(diǎn)；③可以消除放大器零點(diǎn)漂移帶來的影響。

3.1 FIR濾波程序

為了濾掉電子系統(tǒng)的各種隨機(jī)干擾成分，分析檢測信號(hào)的頻譜特性，進(jìn)而根據(jù)其頻譜特點(diǎn)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)臑V波器。采用周期圖作為功率譜的估計(jì)時(shí)有快速算法，可以應(yīng)用FFT。因此，采用周期圖來作為功率譜的估計(jì)，取256個(gè)采樣點(diǎn)來分析其頻譜特性。從頻譜分析結(jié)果看出，傳感器檢測信號(hào)的中心頻率在77kHz附近，是一個(gè)低頻特性 ,須設(shè)計(jì)一個(gè)具有低通特性的濾波器濾掉高頻的噪聲，所以對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行FIR低通濾波算法處理。

① FIR的算法實(shí)現(xiàn)

讀取AD轉(zhuǎn)換值后，程序的第一步就是在RAM區(qū)中設(shè)置兩組連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)：一組存放FIR濾波器系數(shù)，另一組用于存放采集數(shù)據(jù)。初始化時(shí)，存放采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)要設(shè)為0，存放FIR濾波器系數(shù)的存儲(chǔ)區(qū)中放入按FIR算法設(shè)計(jì)得到的濾波器的單位脈沖響應(yīng)系數(shù)，然后，將讀取的結(jié)果存放到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在PC機(jī)上求解FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)。首先在主函數(shù)中，定義了4種數(shù)字濾波類型：低通、高通、帶通和帶阻；其次定義了6種窗函數(shù)類型：矩形窗、三角形窗、漢寧窗、海明窗、布拉克曼窗和凱澤窗；最后調(diào)用計(jì)算窗函數(shù)的子程序fir_window( )，求出這6種窗函數(shù)系數(shù)；再用這6種窗函數(shù)系數(shù)乘以理想單位脈沖響應(yīng)hd(n)，就是所求得的FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)系數(shù)。由于設(shè)計(jì)的是低通濾波器，hd(n)就是低通理想單位脈沖響應(yīng)。將求解的FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)系數(shù)存放在DSP的存儲(chǔ)空間。

② 濾波系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是具有低通特性的FIR濾波器，窗函數(shù)選擇的是海明 (Hamming)窗。由于海明窗可將991963%的能量集中在窗譜的主瓣內(nèi)，主瓣寬度為8π/N，但旁瓣幅度更小，旁瓣峰值小于主瓣峰值的 1%。并且，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，選擇濾波器階數(shù)N=32。從輸出信號(hào)的濾波前后仿真圖可以看出，沒有經(jīng)過FIR濾波的波形明顯存在許多干擾，而經(jīng)過FIR濾波后的波形明顯濾掉了系統(tǒng)所帶來的各種干擾成分，從干擾噪聲中提取了有用的特征信號(hào)，為進(jìn)行高精度液位測量提供了重要的理論基礎(chǔ)。

3.2 液位測量

對(duì)于磁致伸縮液位傳感器系統(tǒng)，液位測量是重要環(huán)節(jié)。程序設(shè)計(jì)中，調(diào)用峰值點(diǎn)子程序ffpeak( ) ,在該子程序中，h為所選的采樣點(diǎn)，fp為比較峰值點(diǎn)的次數(shù)，Conversion Count為AD采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，Sample Table[ ]為放置AD采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)組。當(dāng)AD采樣完成后，把采集的數(shù)據(jù)保存在放置AD采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)組Sample Table[ ]中，然后，從第5個(gè)采樣點(diǎn)開始判斷峰值點(diǎn)。確定峰值點(diǎn)后，再用峰值點(diǎn)數(shù)乘以程序中A/D的轉(zhuǎn)換速度，得到了所要求的峰值點(diǎn)處的時(shí)間，用峰值點(diǎn)處的時(shí)間乘以波速即得到液位測量值。

實(shí)驗(yàn)中采樣周期：T=013μs,波速v=21838mm/μs，由采樣周期所限 ,測量值只能精確到018514mm，真實(shí)值以精度為1mm的鋼板尺作為測量工具。位置1的真實(shí)值為38123cm，可以看出濾波前的測量值誤差太大 ,測量值中的最大值與最小值之間的差值達(dá)到了0135cm，而濾波后的測量值基本在真實(shí)值附近 ,測量值中的最大值與最小值之間的差值只有0116cm。位置1的真實(shí)值為84171cm,可以看出濾波前的測量值誤差太大，測量值中的最大值與最小值之間的差值達(dá)到了0145cm，而濾波后的測量值基本在真實(shí)值附近，測量值中的最大值與最小值之間的差值只有0107cm。經(jīng)過濾波系統(tǒng)后，液位測量值與濾波前相比，精度有了比較大的提高。

4、結(jié) 論

系統(tǒng)詳細(xì)闡述了DSP的磁致伸縮液位傳感器的硬件和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)部分，相對(duì)于傳統(tǒng)的磁致伸縮液位傳感器需要許多檢測電路，而該設(shè)計(jì)方案中，不需要這些復(fù)雜的硬件檢測電路，大大節(jié)約了系統(tǒng)的硬件數(shù)量，避免了太多硬件電路所造成的電子干擾。軟件設(shè)計(jì)部分重點(diǎn)介紹了FIR濾波程序在DSP上的實(shí)現(xiàn)，并通過比較濾波前后信號(hào)的波形以及濾波前后液位測量值的實(shí)驗(yàn)，得到DSP的磁致伸縮液位傳感器的設(shè)計(jì)方案。為今后設(shè)計(jì)高精度磁致伸縮液位傳感器提供了方向。