射频导纳液位计软件实现

 设计了一种运用射频导纳原理的液位计，给出了射频导纳液位计的工作原理、电路设计以及无线通信接口的软硬件设计。所设计的液位计不仅
改进了传统电容式液位计测量导电黏性液体液位时由于挂料而造成的虚假液位，而且能够明显减少恶劣的工业环境影响，具有高精度，适应范
围广等特点。
引言
传统的电容式液位计以其结构简单、工作可靠、维护方便等优点在液位测量领域占有重要的地位。但是在对导电黏性液体的测量过程中，黏性
液体会黏附在传感电极上，形成挂料，从而造成虚假液位。另外，一般液位计采用RS一232串行通信接口，而串行通信的数据信号存在通信双方
的共地干扰。在一些复杂的工业场合，更存在着化学腐蚀、安装困难等问题。采用基于无线通信的射频导纳液位计能够提高传统的电容式液位
计的测量精度，具有减少连线、安装维护方便等特点，因此，其运行成本更低，便于应用推广。
射频导纳液位计测量原理
射频导纳技术是一种新型液位测量方法，它能减小或消除由被测导电介质电极挂料引起的测量误差，从而提高电容式液位计的测量准确度。在
实际测量过程中，可以获得被测量的复阻抗等相关信息：
X=R+1/jwC (1)
式中：C为物料和挂料的电容信息Cw、Cg的并联值；R为挂料部分和真实物料部分的电阻串联。
根据射频导纳液位计原理，挂料部分复阻抗的实部和虚部数值上相等，即
Rg=1/wCg (2)
由于挂料部分的横截面积要远远小于物料部分的横截面积，挂料部分的电阻要远远大于物料部分的电阻，可以忽略物料部分电阻。因此由式(1)
与式(2)可得
Cw=C-Cg=C-1/wRg （3）
因此，只要测得被测液体的复阻抗的实部和虚部，就可以准确得出液位形成的电容，消除挂料电容的影响。可使用射频导纳测量电路来消除由
于挂料电容所造成虚假液位的误差。所测液位的输出信号是由真实液位和挂料分别引起的信号的叠加，研究表明被测液体的复阻抗仅仅由激励
电压信号矢量与响应电流信号矢量决定，因此，只要测量出电压和电流矢量就可以得到被测液体的复阻抗值，当然这个值包括实部和虚部，通
过相敏检波得到实部和虚部的值，就可以计算出真实的液位信号，从而解决了导电介质挂料对液体测量的影响。
射频导纳液位计测量电路实现
如图1所示，CPU采用与51系列兼容的AT89S8252单片机，具有8KB可擦写的Flash内部程序存储器，2KB的EEPROM，256B的RAM，32根可编程I／O线
，可编程串行口，内置看门狗。设计中采用4MHz晶振工作，可达到速度要求，同时可降低CPU功耗。直接利用CPU输出引脚XTAL2可得到4MHz的信
号，经过分频后得到100 kHz的控制方波，而激励信号源由信号发生芯片MAX0838产生，经过带通滤波器形成100 kHz的正弦波激励信号。正弦波
在单片机控制下再将激励信号加在传感电极上形成响应电压．将激励信号、响应信号、0度方波、90度方波加在受CPU控制的相敏检波器上，检
波器输出经低通滤波器滤波后送人A／D转换器，转换结果被读人CPU进行计算、分析处理。液位测量结果通过无线通信送到上位机，以达到液位
测量值与实际液位值的一一对应，同时上位机通过无线通信接口可实现对物位的实时监控。
在设计中，将正弦波信号作为激励信号加在传感电极上，通过激励和响应的关系计算出实际液位值，因此带通滤波器、相敏检波器、低通滤波
器设计较为关键。设计中采用了无限增益多环反馈型二阶带通滤波器，如图2所示。采用了低功耗的轨至轨四运算放大器LMX324。
通过上述二阶带通滤波器四级级联的滤波，方波中三次谐波的幅值经过理论计算衰减为基波幅值的1／196 608，更高次的谐波成分衰减更大，
因此可以认为带通滤波的输出是一个标准的正弦波。由于挂料部分含有电阻成分，而电阻的存在就要消耗能量，所以在激励传感电极之前再接
电压跟随器以增强驱动能力。
加到传感电极的激励电压Vx=V1 sin( w0t+Φ1)，响应电压为Vo=V2sin( w0+Φ2)，射频导纳液位计将电压信号加在模拟开关的输入端，将控制方波加在模拟开
关的控制端，如图3所示，经过74HCA052双四选一多路开关选择得到要进行相敏检波的信号对。信号ｓｅｌｅｃｔ-A和SECLECT-B为来自CPU的控制信号
74HCA053为3个二选一模拟开关，射频导纳液位计利用通道Y和Z共同完成相敏检波，将74HCA052的Y通道输出( 0或90度方波)加在控制端，将74HCA052的X通道输
出(激励电压和响应电压)加在输入端Yl，Z1，检波关系。
由于相敏检波的检波过程其实是以输入信号与或90~方波相乘，经过傅里叶变换可知检波输出的信号除有效的直流成分外还含有一些不需要的交
流成分，交流成分都为100 kHz以上的高次波，所以选取截止频率为100 kHz的巴特沃思低通滤波器，如图4所示，为了保证滤波效果，采用两级
低通滤波器级联方式。
射频导纳液位计无线通信接口电路的设计
在设计中，考虑到传输的编码方式、功耗、发射功率等方面，选择基于nRF401芯片的无线数据收发模块PTR２０００进行数据传输。ＰＴＲ2000
与AT89S8252连接的典型电路如图5所示。
而ＰＴＲ2000与PC机相连接时需经过电平转换，将TTL电平转换成RS一232C电平，用1片MAX232芯片即可达到电平转换目的。
单片机通过串口经ＰＴＲ2000发送数据，上位机接收部分程序可以通过计算机端的VB 6．0中通信控件MSCOMM来编制，利用MSCOMM控件的
RTSErtble属性来实现。RTSEnble属性设为False时，串口中RTS输出高电平，电平转换后将ＰＴＲ2000 置为发射状态；RTSEnble属性设为Ture
时，串口RTS输出低电平，电平转换后将ＰＴＲ2000置为接收状态。
射频导纳液位计软件实现
(1)主程序模块设计。完成一系列初始化任务及液位计工作程序的执行顺序和各子模块之间的协调工作。
(2)数据处理模块设计。完成实际液位对应的电信号的数据采集，并对采集的数据进行计算处理、算出对应的实际液位。
(3)人机对话程序模块设计。对键盘、显示器以及I／0处理等的设置。
(4)通信程序模块设计。该模块完成与上位机通信。