CPLD和MSP430單片機在導波雷達物位計中的應用
加入技術交流群
3．1 CPLD在發射模塊中的應用
如果導波雷達物位計發射脈沖信號的脈寬過寬，將會導致系統的分辨率降低和測量死區的增加。為此需要產生寬度窄、幅度大和重復頻率高且波形好的發射脈沖信號。脈沖產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，產生的脈寬可達1～2 ns。
CPLD在發射模塊中的主要作用是產生2M的觸發方波，該方波經微分整形產生2 MHz周期觸發脈沖，處理后可以推動雪崩三極管迅速進入雪崩狀態，從而得到需要的周期為2 M寬度為1～2 ns的窄脈沖信號。CPLD產生的方波具有波形好，寬度、頻率通過編程可調等特點，很適合本系統。
3．2 CPLD在接收模塊中的應用
由于系統采用的窄脈沖信號在空間中傳播的速度接近光速，在測量的過程中，窄脈沖信號的行程時間僅為納秒量級，如果直接測時間差，為了達到需要的物位精度，測時精度要達到皮秒數量級。如果用數字計數法和實時采樣法等傳統時間測量方式很難滿足要求。
等效時間采樣是指對于頻率很高的周期性或準周期性被采樣信號，可以用較慢的采樣頻率捕獲被采樣信號的樣本值，然后按照一定的規律重新組合，得到與原信號相似的波形，從而實現利用較低的實時采樣速率獲取較高的等效采樣速率。使用該方法，可以實現窄脈沖在時間軸上的精確放大，對后續電路的要求大大降低。其原理框圖如圖3所示。由于導波雷達物位計的回波信號為準周期性重復信號，因此可用等效時間采樣法來實現導波雷達物位計的回波信號的時間間隔檢測。本文引用地址：http://www.czjhyjcfj.com/article/170644.htm
由等效采樣的原理可以知道，采樣信號的重復周期與采樣脈沖周期之問的差值△t越小，采樣的精度就越高。所以產生具有穩定和高精度步進值的采樣脈沖信號是關鍵。這里選擇AD公司的8位數字可編程延時器件AD9500，它采用高性能雙極型工藝，專為高速電路設計。AD9500的滿程縮程延時為2．5 ns～10μs(由外接電阻電容決定)，最小延時分辨率更是可達10 ps。只需要提供外部觸發信號、鎖存信號以及控制步進延時的數字控制字，AD9500就能產生相對于觸發信號具有步進延時的脈沖信號。
回波脈沖的頻率為2 M，周期為500ns，取△t=20 ps，為了把一個周期內的信號采樣完整，必須一個周期內實現范圍為△t～25 000△t的延時。而AD9500是八位延時芯片只能產生△t～256△t的延時，因此需要采用兩片AD9500級連的方式進行擴展，使數字控制位數擴展到16位。圖4是CPLD和AD9500的連接示意圖，兩片AD9500一片產生大延時，一片產生小延時，兩者的數字控制位數是高8位和低8位的關系。
AD9500對控制信號時序的要求較高，使用CPLD可以對AD9500進行較精確的時序控制。CPLD提供AD9500的觸發信號、鎖存信號以及延時控制字。每完成一次觸發延時后，送入CPLD的延時控制字就加1，然后送鎖存信號使控制字鎖存至AD9500內部，等待下次觸發到來。要注意保證鎖存信號與觸發信號同頻率，且必須在觸發信號產生后產生。
4 MSP單片機為核心的信號處理模塊設計
TI公司的MSP430單片機作為一種低功耗的16位單片機，在智能儀表中應用廣泛。這里選用MSP430F149單片機作為信號處理模塊的控制核心。下面分模塊介紹信號處理模塊的電路和軟件設計。
4．1 物位測量模塊電路設計
導波雷達物位計在進行物位測量時，收發電路發射的脈沖信號的幅值是一個固定值。而從介質液面反射的回波信號的幅值大小會受介質的介電常數、導波桿桿長等很多因素的影響。因此反射得到的回波信號的幅值會有大有小。在不同的使用工況下，需要把回波信號進行放大處理，便于后續的比較電路進行處理。這里選用低噪聲可變增益放大器AD604，它的增益由VGE引腳的輸入電壓確定。單片機控制八位高速DAC TVL7524控制VGE引腳的輸入電壓，從而控制AD604的增益。
圖5是物位測量模塊的電路框圖。在雷達信號收發模塊中，回波信號經過等效時間采樣和保持，已經變為較低頻率的信號，信號在進入可變增益放大器放大后分為兩路，分別進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。比較產生的脈沖進入MSP430單片機的不同引腳，單片機的內部計時器計算兩者之間的時差，并根據其他參數計算時差對應的物位值，多次計算后進行數字濾波得到一個穩定的物位值。
4．2 電源電路設計
系統中要用到多種電源，這里選擇AD421作為電源轉換芯片。AD421是一個16位4～20mA電流輸出DAC。同時當外部電源給AD421提供+24 V的電壓時，AD421芯片有3個輸出引腳可分別輸出+5 V、+1．25 V、+2．5 V的電壓，所以它同時是一個智能儀表中常用的電源轉換芯片。
MSP430的工作龜壓范圍為+1．8～+3．6 V，采用低功耗電壓調整器HT7133把AD421輸出的+5V電壓轉換為+33V。電路中還要用到到負電源，采用負電源轉換芯片TP7660把+1．2～+8 V的電壓轉換成相應的-1．2～8 V輸出。
4．3 通信電路設計
單片機的3個IO口和AD421通過同步串行接口相連，實現物位計4～20 mA輸出的功能。單片機物位信息經過計算，轉化為相應的電流值對應的數字量傳給AD421，AD421會輸出對應的4～20mA電流。
物位信息還可通過MSP430單片機內部集成的通用串行輸出，串口可連接上位機軟件實現物位趨勢圖顯示等功能。
此外系統還可擴展HART總線傳輸液位信息，HART總線是一種兼容4～20 mA信號的通信總線，在智能儀表行業中使用廣泛。HART通信協議采用在4～20mA模擬信號上疊加0．5 mA的FSK(頻移鍵控)信號進行通信，由于FSK信號平均值為零，所以不會對模擬信號產生影響，這里采用低功耗芯片HT20C12和單片機的串口相連來實現HART信號的調制和解調。圖6是系統通信部分的電路框圖。
評論