基于32位单片机的超声波物位计的研制
在石油、化工、制药等工业生产过程中，经常需要对罐体中液面到罐体顶部的距离进行准确测量。由于传统接触式物位测量的传感器要和被测介质有所接触，所以就必须考虑被测介质其自身的物理特性。例如：黏附、腐蚀、磨损等因素都会导致传感器的损坏。
基于超声波的物位测量属于非接触式物位测量，因此不需要考虑被测介质物理特性的影响因素。在使用方面：超声波具有强指向性、能量消耗缓慢、在介质中传播距离较远的特点，因而使用超声波检测物位可以做到迅速、方便、计算简单、易于实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。研制超声波测量方式为传感器的物位变送器在工业应用上具有重要的现实意义。
超声波物位计的总体设计
声波能作为测量工具是因为在产生声音和“听”到声音之间有一段时间延迟，这段时间延迟可以被转换为可用的信息。超声检测设备能够产生声波，能够测量返回信号的时间延迟。它利用换能器来产生声波和接收回波，然后通过处理器解读声波，并将它转换为信息。声波的振动和时间的关系被称为“频率”。频率用赫兹（Hz）度量。一个特定频率的纯生波表现为随时间正弦变化的声压。人耳最多能听到从20～20,000Hz的声音范围。在这个频率以上的声波范围称为超声波，超声波传输方式如图１所示。
图１：超声波传输方式示意
超声波物位计正是基于该原理的工业物位现场仪表。本设计的总体系统框图如图2所示。主控芯片通过PWM模式对激励电路发射一对40kHz差分脉冲，使超声波换能器获得能量对目标发射声波，并接收目标反射的声波，使得换能器产生“声－电”能量转换，该电信号通过滤波、运算放大、对数变换等处理进入A/D 模块中进行运算，从而获得目标物位的距离，通过液晶进行显示，并通过4～20mA或HART模块进行数据传输。
图２：超声波物位计总体系统
超低功耗EFM32为关键推手
本设计属于工业现场的一次仪表，因此采用二线制设计，对低功耗的要求显得尤为突出。在主控CPU方面特别选取SILICON LABS公司生产的超低功耗ARM Cortex-M3 EFM32TM 壁虎(Gecko)系列MCU，该款MCU可以做到工作模式电流180μA/MHz、睡眠模式电流45μA/MHz、深度睡眠模式电流低至900nA/MHz。外设方面，该款MCU能提供低功耗的外设，包括低能量的UART和I2C串行接口，A/D和D/A转换器和一个计数器和定时器主机。壁虎微控制器的独特之处在于它的周边反射系统，可与标准的32位ARM总线并行，且可以在CPU是关闭时，由外围设备自主运行和交流，进而延长睡眠时间并节省大量能源。EFM32G232F128的系统构架如图3所示。
图３： EFM32G232F128的系统构架
基于现场二线制仪表的功耗，本设计的A/D模块同样选取EFM32G232F128自带的12位分辨率模数转换器，通过DMA存储，间隔16μS。采样一次。设置2,800个存储单元按照顺序存储采样数据。对采样的数据组进行预处理和消除尖峰。
结论
本文通过一个搭载超低功耗MCU EFM32 超声波物位测量参考设计，给出了一种针对现场仪表的非接触式物位测量变送器，通过对超声波测距信号的处理，创新的加入了基线比较的处理方法，使软件处理的精度更高，能够更精确测量工业现场物位，并且在本设计的基础上可以叠加基于3～20mA的HART通信模块，现场总线ProfitbusPA、FF、EPA等通信方式，更进一步结合物联网的设计潮流。
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SILICON LABS 32-bit Microcontroller选型表
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产品型号
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品类
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系列
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Frequency（MHz）
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Flash (kB)
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RAM (kB)
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Vdd min（V）
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Vdd max（V）
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Package Type
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Package Size (mm)
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Internal Osc.
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Debug Interface
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Cryptography
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Dig I/O Pins
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ADC 1
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DAC
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USB
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Cap Sense
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LCD
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Temp Sensor
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Timers (16-bit)
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UART
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USART
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SPI
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I2C
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I2S
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EMIF
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RTC
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Comparators
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EFM32GG290F512-BGA112
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32位MCU
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EFM32 Giant Gecko
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48
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1.98
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3.8
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BGA112
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10x10
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±2%
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ETM; SW
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AES-128 AES-256
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90
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12-bit, 8-ch., 1 Msps
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12-bit, 2 ch.
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Cap Sense
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-
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4
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7
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3
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3
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2
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1
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0
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RTC
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2
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产品型号
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品类
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Frequency（MHz）
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Flash (kB)
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RAM (kB)
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Dig I/O Pins
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ADC 1
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DAC
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Cap Sense
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Temp Sensor
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Timers (16-bit)
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UART
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USART
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SPI
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I2C
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I2S
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EMIF
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RTC
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Comparators
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Vdd min（V）
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Vdd max（V）
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Package Type
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Package Size (mm)
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Internal Osc.
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Debug Interface
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EFM32G200F16-QFN32
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Microcontroller
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32
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16
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8
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24
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12-bit, 4-ch., 1 Msps
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12-bit, 1-ch.
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Cap Sense
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Temp Sensor
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0
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2
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2
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1
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0
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0
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RTC
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2
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QFN32
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SW
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选型表 - SILICON LABS 立即选型
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