基于TDC-GP22的細(xì)長(zhǎng)豎管內(nèi)脈沖激光液位計(jì)設(shè)計(jì)

奚宇晗，張從鵬，楊正富

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

在水體測(cè)量方面，通常在所測(cè)水體附近設(shè)置一個(gè)細(xì)長(zhǎng)豎管，使用連通管將豎管和所測(cè)水體連接起來，所測(cè)水體的水位與豎管中液位相同，只要測(cè)出管中液位即可求出所測(cè)水體中的液位。

目前常用的液位測(cè)量?jī)x器中，浮子式液位計(jì)和壓力感應(yīng)式液位計(jì)屬于接觸式液位計(jì)，其測(cè)量元件需要直接與被測(cè)液體接觸，容易受到水質(zhì)影響，且不適用于帶有腐蝕的液體；射線式液位計(jì)的信號(hào)衰減和能量損失較快，且具有一定的輻射；超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)一般有5°～10°的發(fā)射束角，較大的發(fā)射束角限制了其安裝環(huán)境。特別是在細(xì)長(zhǎng)豎管內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)，波束角范圍內(nèi)的管壁會(huì)形成大量雜波信號(hào)，如果增大發(fā)射功率來保證回波強(qiáng)度，雜波信號(hào)也會(huì)同樣增強(qiáng)，影響其正常使用[1]。

激光的頻率和不同溫度下的波速較為穩(wěn)定，基本不會(huì)受到不同外界自然氣候氣象條件等環(huán)境因素的波動(dòng)干擾；激光發(fā)射頭和激光接收管體積較小，適用于狹窄管道。同時(shí)，在管道中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，環(huán)境光對(duì)脈沖激光接收影響極小，基本可以忽略其影響，且激光束集中、波束角小，更適合細(xì)長(zhǎng)豎管內(nèi)進(jìn)行較長(zhǎng)距離的液位測(cè)量。

1 細(xì)長(zhǎng)豎管內(nèi)激光測(cè)距原理

本系統(tǒng)采用的測(cè)液位原理為激光脈沖法，對(duì)于脈沖法激光測(cè)距而言，距離的測(cè)量本質(zhì)上可以轉(zhuǎn)化為對(duì)時(shí)間的測(cè)量，最重要的就是對(duì)激光往返飛行時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量，以保證距離測(cè)量的精確性。

測(cè)距示意圖如圖1所示。通過連通管保證水位井和渠道中水位相同，激光發(fā)射器發(fā)射的激光直射反光浮子并反射回到激光接收器，測(cè)出激光飛行時(shí)間T，根據(jù)光速C，可知激光測(cè)距系統(tǒng)與反光浮子之間的距離S=CT/2，再根據(jù)安裝高度L，即可求出當(dāng)前水位H=L-S。

圖1 液位測(cè)量示意圖

2 液位計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)以STM32F103 CBT6單片機(jī)為控制核心，并使用TDC-GP22芯片進(jìn)行激光飛行時(shí)間的測(cè)量。TDC電路Fire管腳控制驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射脈沖激光信號(hào)，并由Stop管腳接收回波信號(hào)。根據(jù)收發(fā)信號(hào)之間的時(shí)間間隔來計(jì)算激光的往返時(shí)間，再由單片機(jī)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的水位高度。開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路可以提供足夠的功率，激光在管道中即便有一定的衰減，也有足夠強(qiáng)度的回波信號(hào)返回接收端。在將返回的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過信號(hào)處理電路對(duì)其進(jìn)行濾波放大，以此觸發(fā)TDC 電路的終止計(jì)時(shí)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 TDC-GP22外圍電路設(shè)計(jì)

TDC-GP22芯片的時(shí)間測(cè)量單元以時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）為核心，其最大的測(cè)量精度由外部的信號(hào)通過邏輯門的頻率和時(shí)間所決定[2]。TDC-GP22在模式一下時(shí)間測(cè)量的分辨率可達(dá)到45 ps。

在本設(shè)計(jì)中僅使用Stop1通道對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量；其中，Stop1引腳連接發(fā)射端，Start引腳連接接收端。引腳9至引腳13與單片機(jī)相連，其中4個(gè)引腳為SPI協(xié)議控制，另一個(gè)為中斷反饋引腳RSIN。PT1與PT2兩個(gè)引腳分別連接2個(gè)PT-1000溫度傳感器，用以輔助監(jiān)測(cè)管道內(nèi)溫度。

2.3 激光收發(fā)電路設(shè)計(jì)

在激光信號(hào)的發(fā)送方面，TDC-GP22芯片自帶的高頻脈沖信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)可產(chǎn)生200 kHz的脈沖信號(hào)，但由于其產(chǎn)生的200 kHz方波信號(hào)的電壓峰峰值為3.3 V，驅(qū)動(dòng)電流大約為96 mA，電壓不足以至于不能滿足激光發(fā)射器的正常工作條件，驅(qū)動(dòng)能力無法滿足本設(shè)計(jì)的需求。為此選用了高品質(zhì)的6引腳SOT23封裝的開關(guān)芯片MAX4644，在保證200 kHz方波信號(hào)的同時(shí)為激光發(fā)射器提供所需的工作電壓。

在接收處理方面，由于光電探測(cè)器探測(cè)轉(zhuǎn)化得來的電信號(hào)幅值較小，其中還夾雜著大量雜波信號(hào)，不足以直接被TDC-GP22芯片接收并處理。因此設(shè)計(jì)帶通濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，以供TDC-GP22芯片接收。在本設(shè)計(jì)中，濾波放大使用的是OPA2350UA型運(yùn)算放大器?；夭ㄐ盘?hào)的處理電路如圖3所示。

圖3 帶通濾波電路原理圖

硬件系統(tǒng)中還包含最小系統(tǒng)模塊、線性電源模塊、輔助溫度檢測(cè)模塊和RS485串口通信模塊，由于篇幅限制在此不做贅述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)量過程通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：首先由STM32主芯片對(duì)TDC-GP22芯片進(jìn)行配置并下達(dá)運(yùn)行指令，TDCGP22接收到測(cè)量指令后發(fā)出方波信號(hào)給發(fā)射端，經(jīng)過開關(guān)電路和激光發(fā)射器完成激光發(fā)射工作；接收端將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行濾波處理后傳遞給計(jì)時(shí)芯片，測(cè)算出激光在發(fā)射和接收之間的飛行時(shí)間，完成硬件的測(cè)量部分；MCU通過算法計(jì)算獲得水位數(shù)據(jù)，并通過485通信傳遞給上位機(jī)。測(cè)量程序的流程圖如圖4所示。

圖4 測(cè)量程序流程圖

為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，本設(shè)計(jì)中采用平均值法濾波的方式進(jìn)行濾波處理。計(jì)時(shí)開始時(shí)建立一個(gè)10位的數(shù)組，將每次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)給數(shù)組中的一個(gè)元素賦值。完成10次計(jì)時(shí)后利用排序法找到這10個(gè)數(shù)當(dāng)中的最大值和最小值并將其排除[3]，再對(duì)剩下的數(shù)組求平均值，將該平均值作為處理后的時(shí)間數(shù)據(jù)用以計(jì)算液位高度。

4 系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

由于條件所限，該液位測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試工作在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。將反光浮子投入不銹鋼豎管內(nèi)，再將激光液位計(jì)的位置固定在管道頂端，激光的測(cè)量光斑對(duì)準(zhǔn)內(nèi)側(cè)的反光浮子。再將不銹鋼豎管嵌套進(jìn)較粗的外側(cè)標(biāo)定有高度數(shù)值的亞克力透明管道內(nèi)，根據(jù)大氣連通原理，亞克力透明管道的水位即為不銹鋼豎管內(nèi)的水位。

圖5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

實(shí)驗(yàn)中使用卷尺標(biāo)定，精確度為1 mm 的管道，水位從0.6 m處開始增加，每次注水使水位上升0.05 m，共測(cè)量19組數(shù)據(jù)，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水位測(cè)量實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)表 m

標(biāo)準(zhǔn)差公式如式（1）所示。

將測(cè)量的數(shù)據(jù)量n、實(shí)測(cè)距離xi和實(shí)際距離xˉ代入式（1），可得標(biāo)準(zhǔn)差S1=˙0.0080 m；將測(cè)量的數(shù)據(jù)量n、實(shí)測(cè)間距xi和實(shí)際間距xˉ代入式（1），可得標(biāo)準(zhǔn)差S2=˙0.0058 m。

該數(shù)據(jù)結(jié)果表明該型激光液位計(jì)的測(cè)量穩(wěn)定性能較高，且絕對(duì)誤差<15 mm，量程10 m的情況下相對(duì)誤差保持在0.3%以下，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 誤差分析

在系統(tǒng)中，外界環(huán)境、硬件電路的性能、傳播過程中的延時(shí)、軟件的算法都會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響[4]。方波信號(hào)從TDC-GP22的FIRE_UP引腳產(chǎn)生后，需要經(jīng)過開關(guān)電路、激光收發(fā)電路及濾波電路才能回到計(jì)時(shí)芯片，得到的時(shí)間值略大于激光的飛行時(shí)間，這部分誤差僅能通過數(shù)據(jù)對(duì)比盡可能減小，無法徹底消除。

5 結(jié)語

本文利用高性價(jià)比、低功耗的STM32作為處理器，結(jié)合TDC-GP22數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片測(cè)量激光飛行時(shí)間以測(cè)量水位高度。本設(shè)計(jì)更適用于在地形狹窄、水質(zhì)較差、懸浮物和氣泡較多的管道內(nèi)測(cè)量激光飛行時(shí)間，并通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為渠道內(nèi)水位高度。綜上，該脈沖激光液位計(jì)具有較高的環(huán)境適應(yīng)性、精度和穩(wěn)定性，符合設(shè)計(jì)要求。