CPLD和MSP430單片機在導波雷達物位計中的應用

摘要：導波雷達物位計是一種利用時域反射原理實現的高性能物位計。為了實現導波雷達物位計這一高精度時差測量系統，采用了CPLD和MSP430單片機協同工作的電路設計。CPLD為信號收發模塊的核心，為發射電路中提供窄脈沖產生電路的周期觸發信號，并在接收電路中控制可編程延時器件AD9500實現等效時間采樣，把高頻的回波脈沖信號在時間軸上放大為低頻信號。以MSP430為核心的信號處理模塊根據收發模塊傳來的信號計算物位，并把物位信息以4-20 mA信號、串口等方式輸出，同時MSP430還對液晶屏、按鍵等外圍器件進行控制。實際試驗表明系統各模塊的工作狀態與理論分析相符。
關鍵詞：導波雷達；物位計；等效時間采樣；MSP430；CPLD

導波雷達物位計具有受溫度、壓力、霧氣、泡沫及被測介質物理特性變化的影響較小的優點。而且其測量精確，性能穩定。在石化、電力、冶金、等領域得到了廣泛的應用，是近年來發展最快的一種物位測量技術。目前已有的導波雷達物位計多是國外進口產品且價格較高，低成本的導波雷達物位計有很大的市場前景。

1 雷達導波物位計的測量原理
導波雷達是非接觸式雷達和導波天線結合的產物。它運用了TDR(時域反射)的原理。
圖1是導波雷達物位計的測量原理，電磁波發射模塊發射窄脈沖信號進入同軸電纜，信號傳播到同軸電纜和導波桿的連接處(法蘭處)會首先發生斷路，一部分信號會反射產生一個頂部回波，其余信號繼續沿導波桿傳播。當信號與被測液體表面接觸時，其阻抗特性會發生變化，一部分信號也會被反射，產生物位回波，此后信號在導波桿的底部斷路處還會產生一個能量較小的底部回波。根據傳輸線理論，頂部回波和底部回波是斷路產生的，所以與發射信號同相。一般下層介質的介電常數大于上層介質特性阻抗小于上層，因此物位回波與發射信號反相。

導波雷達物位計通過測量物位回波和頂部回波之間的時間差計算物位高度，物位計的法蘭處到被測介質表面的距離L與脈沖在桿上的傳播時間△t成正比。設c為光速。罐體高度為H，則物位高度h和△t有如下關系：

實際上量程的上部和下部都會存在一個非線性特性的測量死區，其長度分別為L0和L1。實際物位h的可靠測量的范圍為L0到H-L1。物位為L0時對應的物位計模擬信號輸出為4mA，物位為H-L1時輸出為20mA。

2 雷達導波物位計系統整體方案設計
導波雷達物位計由機械部分，信號收發模塊，信號處理模塊3個模塊構成。信號收發模塊和信號處理模塊兩部分的電路設計采用了CPLD和MSP430單片機協同工作的電路設計方案，其中CPLD為信號收發模塊的控制核心，MSP430單片為信號處理模塊的控制核心。導波雷達物位計的系統框圖如圖2所示。

3 CPLD為核心的信號收發模塊的設計
雷達信號收發模塊由可編程邏輯器件CPLD為核心，下面介紹收發模塊的工作過程。
CPLD在收到單片機發出測量啟動信號后，開始產生2 M的觸發方波，觸發方波被微分電路微分整形后進入窄脈沖產生電路觸發雪崩三極管，產生脈寬約為1～2 ns左右的窄脈沖。脈沖波在法蘭處的同軸電纜與導波體的連接處產生頂部回波，在物料界面處產生物位回波。
與此同時，CPLD控制延時芯片AD9500產生2 M觸發方波的步進延時方波，方波被微分整形后，產生控制等效時間采樣的取樣脈沖。取樣脈沖整形為正負取樣脈沖后，控制高速四管平衡取樣門的導通與截止，實現等時間采樣。回波信號經過收發開關進入超低噪聲精密高速運放LT1 128放大后送入取樣門，經等效時間采樣和保持后，送入信號處理部分。