近年来，随着超声技术研究的不断深入，其高精度、无损、非接触等优点日益凸显，超声技术的应用也变得越来越广泛。超声波液位测量具有诸多显著优点，如检测元件无需与被测介质接触，可测范围广泛；能够测量低温介质的液位；使用寿命长；可实现定点和连续液位测量；安装与维护便捷等。目前，超声波测量已在江河水位监测、化学和制药工业、食品加工、罐装液位检测等多个领域取得了成功应用。
超声波脉冲回波法是液位测量领域应用较为广泛的一种方法，其原理是通过测量超声波的传播时间来确定距离。具体而言，发射声波在脉冲信号的激励下发出超声波，该超声波通过传声媒介传播至被测液面，形成反射波；反射波再经传声介质返回到接收换能器，传感器将声信号转换为电信号，仪表根据超声波从发射到接收所传播的时间，结合超声波在介质中的传播速度，利用以下公式确定液位高度：
式中：H 表示探头与容器底部的距离；L 表示超声波传输距离的 50%；v 表示超声波声速；t 表示超声波传播时间；h 即所测液面实际高度。
系统采用软件滤波方式来精准判断超声波回波信号的起始点。首先，使用 AD 转换器将回波信号转换为数字信号，然后将其传送至 ARM 处理器。借助 ARM 处理器强大的信号处理能力，对回波信号进行数字滤波和数值处理，从而准确确定超声波的传播时间。
系统选用 Philips 公司的 LPC2119 芯片作为控制运算处理器。LPC2119 基于支持实时仿真和跟踪的 16/32 位 ARM7TDMI - S CPU，并配备 128 KB 嵌入的高速 FLASH ，具备高性能、低功耗的特点。该芯片内部集成了 2 个 CAN 控制器，符合 CAN 规范 CAN2.0B、ISO11898 - 1，可访问 32 位寄存器和 RAM，单个总线数据波特率可达 1 Mb/s，全局验收过滤器可识别几乎所有总线的 11 和 29 位 Rx 标识符，验收过滤器为选择的标准标识符提供了 FullCAN - style 自动接收功能。
测量电路的是超声波发射及接收电路，采用收发一体式设计，如图 1 所示。使用 LPC2119 芯片内部定时器 0 产生 40 kHz 的激励脉冲，并将其输至 NMOS 场效应管 Q1 的栅极。当控制端 PO.22 OUT 为低电平时，NMOS 场效应管 Q1 截止，PMOS 场效应管 Q2 的 Ugs 接近零电压，Q2 截止，输出低电平；当 PO.22 OUT 为高电平时，Q1 导通，Q2 的栅极电压由电阻分压得到，使 Ugs 小于其 2 V 左右的门限电压，从而使 Q2 导通，输出高电平。通过控制端的控制，发射电路能够产生正向高压脉冲以激励超声波探头。+50 V 高电压由 AD 公司生产的开关型 DC - DC 变换器 ADP1111 提供。
在接收电路中，利用二极管的钳位作用防止高压发射脉冲进入接收电路。电路中的两个肖特基二极管和限流电阻将输入电压限制在 0.3 V 以内，但对较小的回波信号不起作用，实现了超声波发射、接收电路的一体化。由于回波信号较为微弱，电路需要对其进行放大处理，使用 OP27 将回波信号放大 200 倍。电容 C20 用于滤掉回波信号中的直流成分。
系统采用数字滤波、数值处理的方法来寻找超声波的回波起点，因此需要将放大后的回波信号进行模数转换。本系统采样频率定为 1 MHz，模数转换电路使用德州仪器公司的 8 位高速 A/D 转换器 ADS930。电路采用交流耦合连接方式，经过 A/D 转换后的回波信号将送入运算控制器进行处理。
超声波在空气中的传播速度会随温度的变化而变化，超声波传播速度 c 与环境温度 T 的关系如下式所示：
为了减少测量误差，需要进行温度补偿。系统采用 DALLAS 公司的一线式数字温度传感器 DS18B20 芯片进行温度补偿。现场温度直接以 “一线总线” 的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。使用 DS18B20 进行的温度转换时，I/O 线必须在转换期间保证供电，系统采用外接电源方式给 DS18B20 芯片供电。温度补偿采用查表法，首先建立温度与声速的二维关系表，处理器在读出 DS18B20 测得的温度值后进行查表，得到当时的声速。由于表格中的温度点有限且呈离散分布，采用小区间插值法以提高精度。软件编程严格遵循一线总线读写时序。
CAN 总线通信接口由 CAN 总线控制器和 CAN 总线收发器组成，CAN 控制器作为 CAN 总线的数据链路层，CAN 总线收发器作为 CAN 总线的物理层。LPC2119 内部集成的 CAN 控制器作为 CAN 总线控制器，具备完成 CAN 通信协议的全部必要特性。PHILIPS 公司的 CAN 总线收发器 PCA82C250 提供 CAN 总线控制器和物理传输线路之间的接口，电路如图 2 所示。
系统选用 TD1，RD1 引脚作为 CAN 控制器。CAN 总线收发器 PCA82C250 的 RS 引脚接一斜率电阻 R35 用于选择 PCA82C250 的工作模式，包括高速、斜率控制和待机。当 R35 短路接地时，可选择高速工作方式；若 RS 引脚接高电平，则电路进入低电平待机方式，此时发送器关闭，接收器转入低电流状态，有利于降低系统功耗；在斜率控制模式下，电阻 R35 的大小可根据总线的通信速率适当调整，一般在 16～140 kΩ 之间。
系统使用高速 6N137 和 DC - DC 电压隔离模块 B0505S 组成的隔离电路，有效加强了电路的抗干扰能力，确保 CAN 总线在遭受严重干扰时仍能正常运行。PCA82C250 的 CANH 和 CANL 引脚各自通过一个 10 Ω 的电阻与 CAN 总线相连，该电阻起到限流作用，可保护 PCA82C250 免受过流冲击。在 CANH 和 CANL 与地之间并联 2 个 30 pF 的小电容，能够滤除总线上的高频干扰，并具有一定的防电磁干扰能力。在两根 CAN 总线接入端之间并入瞬态电压抑制二极管（TVS 管），当 CAN 总线串入干扰电压时，可通过 TVS 管的短路起到一定的过压保护作用。
系统软件设计主要包括测量程序和通信程序两部分。其中，测量程序的关键在于对超声波回波信号的处理；通信程序的关键则是 CAN 总线控制器的初始化以及数据的发送和接收。
系统采用数字滤波方式对回波信号进行处理，选用 IIR 带通滤波器进行数字滤波，然后进行数值处理，以识别接收波形的起始点。系统设计通带频率范围为 [35 kHz，45 kHz]，通带波纹衰减为 0.01 dB，阻带波纹衰减为 60 dB，采样频率为 1 MHz。可使用高通及低通各为 4 阶的带通椭圆型滤波器来实现。其系数为：b = (0.001 0， - 0.007 6，0.024 8， - 0.047 4，0.058 4， - 0.047 4，0.024 8， - 0.007 6，0.001 0)，a = (1.000 0， - 7.579 2，25.370 1， - 48.974 1，59.623 8， - 46.877 5，23.244 5， - 6.647 0，0.839 5)。此滤波器极点均在单位圆内，滤波器是稳定的。
通信程序的设计主要包括三部分：CAN 控制器的初始化、CAN 总线数据发送和 CAN 总线数据接收。通过编写 LPC2119 芯片内部 CAN 控制器寄存器来实现软件通信功能。
CAN 总线控制器只需进行少量配置即可进行通信，其基本初始化流程包括硬件使能和配置引脚连接、软件复位、设定通信波特率、配置验收过滤器、退出复位模式等必要步骤。
CAN 控制器初始化后，即可进行数据发送或接收。LPC2119 内部每个 CAN 控制器配有 3 个独立的发送缓冲寄存器，在发送时可根据实际情况选择 3 个缓冲之一，将数据写入缓冲区，然后启动发送。
CAN 控制器根据 CAN2.0B 规范对发送和接收错误进行计数和处理。
基于 CAN 总线的智能超声液位选用了高性能、低功耗的 ARM 处理器芯片 LPC2119。利用 LPC2119 芯片内部的 CAN 控制器和 CAN 总线收发器 PCA82C250 构建了性能优异的 CAN 总线通信接口，实现了信号的可靠、实时、灵活传输。由一线式数字温度传感器 DS18B20 芯片完成温度补偿功能。先进的处理器增强了液位计的回波处理能力，采用数字滤波技术进一步提高了液位的测量精度。这种基于超声波脉冲回波法的液位测量方法在实际应用中具有广阔的前景，能够为液位测量领域提供更加高效、准确的解决方案。
