CPLD和MSP430单片机在导波雷达物位计中的应用.pdf

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导波雷达物位计是一种利用时域反射原理实现的高性能物位计。为了实现导波雷达物住计这一高精度时差测量系统.采用了CPLD和MSP430单片机协同工作的电路设计。CPLD 为信号收发模块的核心,为发射电路中提供窄脉冲产生电路的周期触发信号.并在接收电路中控制可编程延时器件AD9500实现等效时间采样,把高频的回波脉冲信号在时间轴上放大为低频信号。以MSP430为核心的信号处理模块根据收发模块传来的信号计算物住,并把物位信息以4~20 mA信号、串口等方式输出。同时MSP430还对液晶屏、按键等外围器件进行控制。实际试验表明系统各模块的工作状态与理论分析相符。
张龙浩,等CPLD和MSP430单片机在导波雷达物位计中的应用 更是可达10ps。只需要提供外部触发信号、锁存信号以及控 图5是物位测量模块的电路框图。在雷达信号收发模块 制步进延时的数字控制字,AD9500就能产生相对于触发信中,回波信号经过等效时间采样和保持,已经变为较低频率 号具有步进延时的脉冲信号。 的信号,信号在进入可变增益放大器放大后分为两路,分别 回波脉冲的频率为2M,周期为500ns,取t=20ps,为进入顶部回波比较器和物位回波比较器(反相比较),比较器 了把一个周期内的信号采样完整,必须一个周期内实现范芯片选用超高速比较器AD9696。比较产生的脉冲进入 围为△r~25000△t的延时。而AD9500是八位延时芯片只能MSP430单片机的不同引脚,单片机的内部计时器计算两者 产生△t-256△t的延时,因此需要采用两片AD9500级连的之间的时差,并根据其他参数计算时差对应的物位值,多次 方式进行扩展,使数字控制位数扩展到16位。图4是CPLD计算后进行数字滤波得到一个稳定的物位值。 和AD9500的连接示意图,两片AD9500一片产生大延时 42电源电路设计 一片产生小延时,两者的数字控制位数是高8位和低8位 系统中要用到多种电源,这里选择AD421作为电源转换 的关系。 芯片。AD421是一个16位420mA电流输出DAC。同时当 锁存信号 外部电源给AD421提供+24V的电压时,AD421芯片有3个 AD95001 →[A53024 输出引脚可分别输出+5V、+1.25V、+2.5V的电压,所以它同 触发 「延时输 D15~D18 时是一个智能仪表中常用的电源转换芯片。 CPLD MSP430的工作电压范围为+1.8~+36V,采用低功耗电 图4CPLD和AD9500的连接示意图 压调整器HTY7133把AD421输出的+5V电压转换为+3V。电 Fig 4 Connection diagram of CPLD and AD9500 路中还要用到到负电源,采用负电源转换芯片TP660把+ AD9500对控制信号时序的要求较高,使用CPID可以12~+8V的电压转换成相应的-1.2~-8V输出。 对AD9500进行较精确的时序控制。CPLD提供AD9500的触43通信电路设计 发信号、锁存信号以及延时控制字。每完成一次触发延时后 单片机的3个IO口和AD421通过同步串行接口相连 送入CPLD的延时控制字就加1,然后送锁存信号使控制字实现物位计4~20mA输出的功能。单片机物位信息经过计 锁存至AD9500内部,等待下次触发到来。要注意保证锁存信算,转化为相应的电流值对应的数字量传给AD421,AD421 号与触发信号同频率,且必须在触发信号产生后产生。 会输出对应的4~20mA电流。 4MSP单片机为核心的信号处理模块设计 物位信息还可通过MSP430单片机内部集成的通用串行 输出,丰口可连接上位机软件实现物位趋势图显示等功能。 T公司的MsP430单片机作为一种低功耗的16位单片 此外系统还可扩展HART总线传输液位信息,HART总 机,在智能仪表中应用广泛。这里选用MsP430F149单片机作线是一种兼容4~20mA信号的通信总线,在智能仪表行业中 为信号处理模块的控制核心。下面分模块介绍信号处理模块使用广泛εHART通信协议釆用在4~20mA模拟信号上叠加 的电路和软件设计。 05mA的FSK(频移键控)信号进行通信,由于FSK信号平均 4.1物位测量模块电路设计 值为零,所以不会对模拟信号产生影响,这里采用低功耗芯 导波雷达物位计在进行物位测量时,收发电路发射的脉片HT20C12和单片机的串口相连来实现HART信号的调制 冲信号的幅值是一个固定值。而从介质液面反射的回波信号和解调。图6是系统通信部分的电路框图 的幅值大小会受介质的介电常数、导波杆杆长等很多因素的 MSP43014~20nA电流设置 AD421 影响。因此反射得到的回波信号的幅值会有大有小。在不同 HT20124-20mA 的使用工况下,需要把回波信号进行放大处理,便于后续的 JORXD 比较电路进行处理。这里选用低噪声可变增益放大器 ITXD HART RESTI INRTS AD604,它的增益由ⅤGE引脚的输入电压确定。单片机控制 上位机 串口输出 八位高速 DAC TVL7524控制VCE引脚的输入电压,从而控 图6通信部分电路框图 制AD604的增益。 Fig6 Circuit diagram of communication nart 比较器 INT 4.4人机接口电路设计 REFI (AD9696 顶部回波检测 导波雷达物位计作为一台智能仪表,需要有良好的人机 高速 接口,从而实现显示物位信息和查看修改参数的功能。显示 回波信号 比较器 来自雷达信 (AD9696 30 部分选用了性价比较高的5110液晶模块,它是84×48的点 号收发模块)可编程增益|物位回波检测 放大器(AD604) 阵LCD,可显示两行汉字。导波雷达物位计需要对系统参数 高速nAC 增益控制TCL7524) 进行设定,共设计了6个按键,分别代表左、右、改数字、确 图5物位测量模块电路框图 定、取消和复位。过这些按键配合LCD显示能够方便的完成 5 Circuit diagram of level measurement 各参数的设定。 143 《电子设计工程》2012年第21期 4.5MSP430单片机的软件设计 样后的回波脉冲,两者波峰之间的时间间隔约为215μs,在 MsP430单片机的软件设计在 IAR EW for MSP430编程时间轴上放大了259×10倍和理论值25×105倍相符,这说 环境下进行。程序设计中充分考虑到了仪表的低功耗和高稳明等效时间采样实现了高频信号在时间轴上的放大。当 定性的要求。图7为单片机的主程序流程图和程序中液位测MSP430单片机设置罐高为6m时,液晶显示的液位高在 量部分的流程图。 4.730~4.746m之间,和理论值的474m误差小于0.01mo 上电复位 6结论 初始化 径测到顶部 吧波脉冲 导波雷达物位计采用了CPLD加MSP430的电路设计 系统参数 否「从外部 方案。因为信号收发部分属于高速电路,对波形时序的要求 存储器 [时器开绗计时 读取参数 较高,所以选用了可编程逻辑器件CPL。而信号处理部分 检测到液位否 的计算任务较重,因此选用了处理能力较强的MSP430单片 设置可变增益 波脉冲 放大器增益 机。两者协同工作优势互补,实现了高精度的时差测量系 发出开始剡量信号 停止计时 是 统,和其他方案相比有较高的性价比和可靠性,实现了较高 计算时差 认为 的测量精度 计算液位 对应的液位[液位为0 参考文献 [液位信息LCD显示 结果存入 储存单元N 1荣奔,周汉义,刘紅樱,基于MSP430自动胀管控制器的研 外部通箔输出 N-N+1 N=10 制[.电子设计工程,2010,18(7):125-127 是 RONG Ben, ZHOU Han-yi, LIU Hong-ying. Development of 否。右按健是参数小写外部「对存单元1=个设 设置「在储器 液位值中值平均 automatic electric tube based on MSP4300]. Electronic Design 仔得到液位值,检测局期结刺 Engineering,2010,18(7):125-127. 图7单片机主程序流程图(左)和液位测量程序流程图(右 [2]屈义萍.冲击脉冲探地雷达发射与接收电路的设计[〕沈 ig. 7 Main program flow chart of MCU(left)and the prngram flow 阳:沈阳航空工业学院,2010 chart of level measurement (right) [3]刘伟佳.导波雷达液位计信号处理模块设计D]成都:电子 科技大学,2010 5系统测试试验 「4]张宝东,王省书,战德军,等.基于AD9501串联的顺序等效 为了验证上述电路设计的可行性,我们对电路进行了制 时间采样设计电子测量技术,2008,31(17):66-67 板,并把仪表厂家提供的机械部分和我们的电路部分相连进 ZANG Bao-dong, WANG Sheng-shu, ZHAN De-jun,etal 行了初步的验证试验。试验在常温下的实验室环境下进行, Design of sequential equivalent time sampling based on 被测液体为水(介电常数约为815)。 double AD9501 in series[J]. Electronic Measurement 孤A Technology,2008,31(17):66-67 [5]周维,王赤,田茂,等.基于等效时阊采样的探地雷达回波 信号采样方法研究J雷达科学与技术,2004,2(1):44-47. L ZHoU Wei. WaNG Chi TIAN Mao, et al. Research on a sample-collecting method of echo data of ground penetrating radar hased on equivalent time sampling[J]. Radar Science and Technology, 2004, 2(1): 44-47 图8回波脉冲和等效时间采样后的回波脉冲 6]吴晓宇,裴东兴,王成帅,等,基于MSP430的石油井下压 Fig. 8 Echo pulse and echo pulse after equivalent time sampling 力测试系统的设计!.电子设计工程,2009,17(9):109 图左边中在电路板与同轴电缆SMA接头处测得凹波脉 l10,113 冲,图中可以清楚的看到顶部回波和物位回波的波峰。两者 WU Xiao-yu, PEI Dong-xing, WANG Cheng-shuai, et al 的脉宽都约为2ns,波峰之间的时间差为83ns。考虑到示波 Design of oil-well pressure measurement system based on 器的误差,83ns的时间差对应的法兰到液位表面的距离应 MSP430 MCU J]. Electronic Design Engineering, 2009,I7 为1245±0.15m和实测的1.26m相符。右边为等效时间采 9):109-110,113

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