CPLD和MSP430單片機(jī)在導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)中的應(yīng)用

張龍浩，祝懷標(biāo)，譙 艷

（華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系，湖北 武漢 430074）

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)具有受溫度、壓力、霧氣、泡沫及被測(cè)介質(zhì)物理特性變化的影響較小的優(yōu)點(diǎn)。而且其測(cè)量精確，性能穩(wěn)定，在石化、電力、冶金、等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是近年來發(fā)展最快的一種物位測(cè)量技術(shù)。目前已有的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)多是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品且價(jià)格較高，低成本的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)有很大的市場(chǎng)前景。

1 雷達(dá)導(dǎo)波物位計(jì)的測(cè)量原理

導(dǎo)波雷達(dá)是非接觸式雷達(dá)和導(dǎo)波天線結(jié)合的產(chǎn)物。它運(yùn)用了TDR（時(shí)域反射）的原理。

圖1 導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的測(cè)量原理Fig.1 Measurement principle of guided wave radar level meter

圖1是導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的測(cè)量原理，電磁波發(fā)射模塊發(fā)射窄脈沖信號(hào)進(jìn)入同軸電纜，信號(hào)傳播到同軸電纜和導(dǎo)波桿的連接處（法蘭處）會(huì)首先發(fā)生斷路，一部分信號(hào)會(huì)反射產(chǎn)生一個(gè)頂部回波，其余信號(hào)繼續(xù)沿導(dǎo)波桿傳播。當(dāng)信號(hào)與被測(cè)液體表面接觸時(shí)，其阻抗特性會(huì)發(fā)生變化，一部分信號(hào)也會(huì)被反射，產(chǎn)生物位回波，此后信號(hào)在導(dǎo)波桿的底部斷路處還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)能量較小的底部回波。根據(jù)傳輸線理論，頂部回波和底部回波是斷路產(chǎn)生的，所以與發(fā)射信號(hào)同相。一般下層介質(zhì)的介電常數(shù)大于上層介質(zhì)，特性阻抗小于上層，因此物位回波與發(fā)射信號(hào)反相。

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)通過測(cè)量物位回波和頂部回波之間的時(shí)間差計(jì)算物位高度，物位計(jì)的法蘭處到被測(cè)介質(zhì)表面的距離L與脈沖在桿上的傳播時(shí)間Δt成正比。設(shè)c為光速。罐體高度為H，則物位高度h和Δt有如下關(guān)系：

實(shí)際上量程的上部和下部都會(huì)存在一個(gè)非線性特性的測(cè)量死區(qū)，其長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)0和L1。實(shí)際物位h的可靠測(cè)量的范圍為L(zhǎng)0到H-L1。物位為L(zhǎng)0時(shí)對(duì)應(yīng)的物位計(jì)模擬信號(hào)輸出為4 mA，物位為H-L1時(shí)輸出為20 mA。

2 雷達(dá)導(dǎo)波物位計(jì)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)由機(jī)械部分，信號(hào)收發(fā)模塊，信號(hào)處理模塊3個(gè)模塊構(gòu)成。信號(hào)收發(fā)模塊和信號(hào)處理模塊兩部分的電路設(shè)計(jì)采用了CPLD和MSP430單片機(jī)協(xié)同工作的電路設(shè)計(jì)方案，其中CPLD為信號(hào)收發(fā)模塊的控制核心，MSP430單片為信號(hào)處理模塊的控制核心。導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)框圖Fig.2 System diagram of guided wave radar level meter

3 CPLD為核心的信號(hào)收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)

雷達(dá)信號(hào)收發(fā)模塊由可編程邏輯器件CPLD為核心，下面介紹收發(fā)模塊的工作過程。

CPLD在收到單片機(jī)發(fā)出測(cè)量啟動(dòng)信號(hào)后，開始產(chǎn)生2 M的觸發(fā)方波，觸發(fā)方波被微分電路微分整形后進(jìn)入窄脈沖產(chǎn)生電路觸發(fā)雪崩三極管，產(chǎn)生脈寬約為1～2 ns左右的窄脈沖。脈沖波在法蘭處的同軸電纜與導(dǎo)波體的連接處產(chǎn)生頂部回波，在物料界面處產(chǎn)生物位回波。

與此同時(shí)，CPLD控制延時(shí)芯片AD9500產(chǎn)生2 M觸發(fā)方波的步進(jìn)延時(shí)方波，方波被微分整形后，產(chǎn)生控制等效時(shí)間采樣的取樣脈沖。取樣脈沖整形為正負(fù)取樣脈沖后，控制高速四管平衡取樣門的導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)等時(shí)間采樣?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過收發(fā)開關(guān)進(jìn)入超低噪聲精密高速運(yùn)放LT1128放大后送入取樣門，經(jīng)等效時(shí)間采樣和保持后，送入信號(hào)處理部分。

3.1 CPLD在發(fā)射模塊中的應(yīng)用

如果導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)發(fā)射脈沖信號(hào)的脈寬過寬，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的分辨率降低和測(cè)量死區(qū)的增加。為此需要產(chǎn)生寬度窄、幅度大和重復(fù)頻率高且波形好的發(fā)射脈沖信號(hào)。脈沖產(chǎn)生方式主要有氣體放電、雪崩三極管和階躍二極管等，其中用的較多的是雪崩三極管，產(chǎn)生的脈寬可達(dá)1～2 ns。

CPLD在發(fā)射模塊中的主要作用是產(chǎn)生2M的觸發(fā)方波，該方波經(jīng)微分整形產(chǎn)生2 MHz周期觸發(fā)脈沖，處理后可以推動(dòng)雪崩三極管迅速進(jìn)入雪崩狀態(tài)，從而得到需要的周期為2 M寬度為1～2 ns的窄脈沖信號(hào)。CPLD產(chǎn)生的方波具有波形好，寬度、頻率通過編程可調(diào)等特點(diǎn)，很適合本系統(tǒng)。

3.2 CPLD在接收模塊中的應(yīng)用

由于系統(tǒng)采用的窄脈沖信號(hào)在空間中傳播的速度接近光速，在測(cè)量的過程中，窄脈沖信號(hào)的行程時(shí)間僅為納秒量級(jí)，如果直接測(cè)時(shí)間差，為了達(dá)到需要的物位精度，測(cè)時(shí)精度要達(dá)到皮秒數(shù)量級(jí)。如果用數(shù)字計(jì)數(shù)法和實(shí)時(shí)采樣法等傳統(tǒng)時(shí)間測(cè)量方式很難滿足要求。

等效時(shí)間采樣是指對(duì)于頻率很高的周期性或準(zhǔn)周期性被采樣信號(hào)，可以用較慢的采樣頻率捕獲被采樣信號(hào)的樣本值，然后按照一定的規(guī)律重新組合，得到與原信號(hào)相似的波形，從而實(shí)現(xiàn)利用較低的實(shí)時(shí)采樣速率獲取較高的等效采樣速率。使用該方法，可以實(shí)現(xiàn)窄脈沖在時(shí)間軸上的精確放大，對(duì)后續(xù)電路的要求大大降低。其原理框圖如圖3所示。由于導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的回波信號(hào)為準(zhǔn)周期性重復(fù)信號(hào)，因此可用等效時(shí)間采樣法來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的回波信號(hào)的時(shí)間間隔檢測(cè)。

圖3是等效時(shí)間采樣的原理圖。

圖3 等效時(shí)間采樣原理圖Fig.3 Principle of equivalent time sampling

由等效采樣的原理可以知道，采樣信號(hào)的重復(fù)周期與采樣脈沖周期之間的差值Δt越小，采樣的精度就越高。所以產(chǎn)生具有穩(wěn)定和高精度步進(jìn)值的采樣脈沖信號(hào)是關(guān)鍵。這里選擇AD公司的8位數(shù)字可編程延時(shí)器件AD9500，它采用高性能雙極型工藝，專為高速電路設(shè)計(jì)。AD9500的滿程編程延時(shí)為 2.5 ns～10 μs（由外接電阻電容決定），最小延時(shí)分辨率更是可達(dá)10 ps。只需要提供外部觸發(fā)信號(hào)、鎖存信號(hào)以及控制步進(jìn)延時(shí)的數(shù)字控制字，AD9500就能產(chǎn)生相對(duì)于觸發(fā)信號(hào)具有步進(jìn)延時(shí)的脈沖信號(hào)。

回波脈沖的頻率為2 M，周期為 500 ns，取Δt=20 ps，為了把一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)采樣完整，必須一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)范圍為Δt～25 000Δt的延時(shí)。而AD9500是八位延時(shí)芯片只能產(chǎn)生Δt～256Δt的延時(shí)，因此需要采用兩片AD9500級(jí)連的方式進(jìn)行擴(kuò)展，使數(shù)字控制位數(shù)擴(kuò)展到16位。圖4是CPLD和AD9500的連接示意圖，兩片AD9500一片產(chǎn)生大延時(shí) ，一片產(chǎn)生小延時(shí)，兩者的數(shù)字控制位數(shù)是高8位和低8位的關(guān)系。

圖4 CPLD和AD9500的連接示意圖Fig.4 Connection diagram of CPLD and AD9500

AD9500對(duì)控制信號(hào)時(shí)序的要求較高，使用CPLD可以對(duì)AD9500進(jìn)行較精確的時(shí)序控制。CPLD提供AD9500的觸發(fā)信號(hào)、鎖存信號(hào)以及延時(shí)控制字。每完成一次觸發(fā)延時(shí)后，送入CPLD的延時(shí)控制字就加1，然后送鎖存信號(hào)使控制字鎖存至AD9500內(nèi)部，等待下次觸發(fā)到來。要注意保證鎖存信號(hào)與觸發(fā)信號(hào)同頻率，且必須在觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生后產(chǎn)生。

4 MSP單片機(jī)為核心的信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

TI公司的MSP430單片機(jī)作為一種低功耗的16位單片機(jī)，在智能儀表中應(yīng)用廣泛。這里選用MSP430F149單片機(jī)作為信號(hào)處理模塊的控制核心。下面分模塊介紹信號(hào)處理模塊的電路和軟件設(shè)計(jì)。

4.1 物位測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)在進(jìn)行物位測(cè)量時(shí)，收發(fā)電路發(fā)射的脈沖信號(hào)的幅值是一個(gè)固定值。而從介質(zhì)液面反射的回波信號(hào)的幅值大小會(huì)受介質(zhì)的介電常數(shù)、導(dǎo)波桿桿長(zhǎng)等很多因素的影響。因此反射得到的回波信號(hào)的幅值會(huì)有大有小。在不同的使用工況下，需要把回波信號(hào)進(jìn)行放大處理，便于后續(xù)的比較電路進(jìn)行處理。這里選用低噪聲可變?cè)鲆娣糯笃鰽D604，它的增益由VGE引腳的輸入電壓確定。單片機(jī)控制八位高速DAC TVL7524控制VGE引腳的輸入電壓，從而控制AD604的增益。

圖5 物位測(cè)量模塊電路框圖Fig.5 Circuit diagram of level measurement

圖5是物位測(cè)量模塊的電路框圖。在雷達(dá)信號(hào)收發(fā)模塊中，回波信號(hào)經(jīng)過等效時(shí)間采樣和保持，已經(jīng)變?yōu)檩^低頻率的信號(hào)，信號(hào)在進(jìn)入可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蠛蠓譃閮陕?，分別進(jìn)入頂部回波比較器和物位回波比較器（反相比較），比較器芯片選用超高速比較器AD9696。比較產(chǎn)生的脈沖進(jìn)入MSP430單片機(jī)的不同引腳，單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)算兩者之間的時(shí)差，并根據(jù)其他參數(shù)計(jì)算時(shí)差對(duì)應(yīng)的物位值，多次計(jì)算后進(jìn)行數(shù)字濾波得到一個(gè)穩(wěn)定的物位值。

4.2 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中要用到多種電源，這里選擇AD421作為電源轉(zhuǎn)換芯片。AD421是一個(gè)16位4～20 mA電流輸出DAC。同時(shí)當(dāng)外部電源給AD421提供+24 V的電壓時(shí)，AD421芯片有3個(gè)輸出引腳可分別輸出+5 V、+1.25 V、+2.5 V的電壓，所以它同時(shí)是一個(gè)智能儀表中常用的電源轉(zhuǎn)換芯片。

MSP430的工作電壓范圍為+1.8～+3.6 V，采用低功耗電壓調(diào)整器HT7133把AD421輸出的+5 V電壓轉(zhuǎn)換為+3.3 V。電路中還要用到到負(fù)電源，采用負(fù)電源轉(zhuǎn)換芯片TP7660把+1.2～+8 V的電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的-1.2～-8 V輸出。

4.3 通信電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的3個(gè)IO口和AD421通過同步串行接口相連，實(shí)現(xiàn)物位計(jì)4～20 mA輸出的功能。單片機(jī)物位信息經(jīng)過計(jì)算，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量傳給AD421，AD421會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的4～20 mA電流。

物位信息還可通過MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成的通用串行輸出，串口可連接上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)物位趨勢(shì)圖顯示等功能。

此外系統(tǒng)還可擴(kuò)展HART總線傳輸液位信息，HART總線是一種兼容4～20 mA信號(hào)的通信總線，在智能儀表行業(yè)中使用廣泛。HART通信協(xié)議采用在4～20 mA模擬信號(hào)上疊加0.5 mA的FSK（頻移鍵控）信號(hào)進(jìn)行通信，由于FSK信號(hào)平均值為零，所以不會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生影響，這里采用低功耗芯片HT20C12和單片機(jī)的串口相連來實(shí)現(xiàn)HART信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。圖6是系統(tǒng)通信部分的電路框圖

圖6 通信部分電路框圖Fig.6 Circuit diagram of communication part

4.4 人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)作為一臺(tái)智能儀表，需要有良好的人機(jī)接口，從而實(shí)現(xiàn)顯示物位信息和查看修改參數(shù)的功能。顯示部分選用了性價(jià)比較高的5110液晶模塊，它是84×48的點(diǎn)陣 LCD，可顯示兩行漢字。導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，共設(shè)計(jì)了6個(gè)按鍵，分別代表左、右、改數(shù)字、確定、取消和復(fù)位。過這些按鍵配合LCD顯示能夠方便的完成各參數(shù)的設(shè)定。

4.5 MSP430單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

MSP430單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)在IAR EW for MSP430編程環(huán)境下進(jìn)行。程序設(shè)計(jì)中充分考慮到了儀表的低功耗和高穩(wěn)定性的要求。圖7為單片機(jī)的主程序流程圖和程序中液位測(cè)量部分的流程圖。

圖7 單片機(jī)主程序流程圖（左）和液位測(cè)量程序流程圖（右）Fig.7 Main program flow chart of MCU（left） and the program flow chart of level measurement（right）

5 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述電路設(shè)計(jì)的可行性，我們對(duì)電路進(jìn)行了制板，并把儀表廠家提供的機(jī)械部分和我們的電路部分相連進(jìn)行了初步的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)在常溫下的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，被測(cè)液體為水（介電常數(shù)約為81.5）。

圖8 回波脈沖和等效時(shí)間采樣后的回波脈沖Fig.8 Echo pulse and echo pulse after equivalent time sampling

圖左邊中在電路板與同軸電纜SMA接頭處測(cè)得回波脈沖，圖中可以清楚的看到頂部回波和物位回波的波峰。兩者的脈寬都約為2 ns，波峰之間的時(shí)間差為8.3 ns。考慮到示波器的誤差，8.3 ns的時(shí)間差對(duì)應(yīng)的法蘭到液位表面的距離應(yīng)為1.245±0.15 m和實(shí)測(cè)的1.26 m相符。 右邊為等效時(shí)間采樣后的回波脈沖，兩者波峰之間的時(shí)間間隔約為215 μs，在時(shí)間軸上放大了2.59×105倍和理論值2.5×105倍相符，這說明等效時(shí)間采樣實(shí)現(xiàn)了高頻信號(hào)在時(shí)間軸上的放大。當(dāng)MSP430單片機(jī)設(shè)置罐高為6 m時(shí)，液晶顯示的液位高在4.730～4.746 m之間，和理論值的4.74 m誤差小于0.01 m。

6 結(jié) 論

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)采用了CPLD加MSP430的電路設(shè)計(jì)方案。因?yàn)樾盘?hào)收發(fā)部分屬于高速電路，對(duì)波形時(shí)序的要求較高，所以選用了可編程邏輯器件CPLD。而信號(hào)處理部分的計(jì)算任務(wù)較重，因此選用了處理能力較強(qiáng)的MSP430單片機(jī)。兩者協(xié)同工作優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了高精度的時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)，和其他方案相比有較高的性價(jià)比和可靠性，實(shí)現(xiàn)了較高的測(cè)量精度。

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