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(shí)域反射原理實(shí)現的高性能物位計。為了實(shí)現導波雷達物位計這一高精度時(shí)差測量系統，采用了CPLD和MSP430單片機協(xié)同工作的電路設計。CPLD為信號收發(fā)模塊的核心，為發(fā)射電路中提供窄脈沖產(chǎn)生電路的周期觸發(fā)信號，并在接收電路中控制可編程延時(shí)器件AD9500實(shí)現等效時(shí)間采樣，把高頻的回波脈沖信號在時(shí)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(fā)模塊傳來(lái)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(shí)MSP430還對液晶屏、按鍵等外圍器件進(jìn)行控制。實(shí)際試驗表明系統各模塊的工作狀態(tài)與理論分析相符。
關(guān)鍵詞：導波雷達；物位計；等效時(shí)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(zhì)物理特性變化的影響較小的優(yōu)點(diǎn)。而且其測量精確，性能穩定。在石化、電力、冶金、等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，是近年來(lái)發(fā)展最快的一種物位測量技術(shù)。目前已有的導波雷達物位計多是國外進(jìn)口產(chǎn)品且價(jià)格較高，低成本的導波雷達物位計有很大的市場(chǎng)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(xiàn)結合的產(chǎn)物。它運用了TDR(時(shí)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(fā)射模塊發(fā)射窄脈沖信號進(jìn)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(huì )首先發(fā)生斷路，一部分信號會(huì )反射產(chǎn)生一個(gè)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(shí)，其阻抗特性會(huì )發(fā)生變化，一部分信號也會(huì )被反射，產(chǎn)生物位回波，此后信號在導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。根據傳輸線(xiàn)理論，頂部回波和底部回波是斷路產(chǎn)生的，所以與發(fā)射信號同相。一般下層介質(zhì)的介電常數大于上層介質(zhì)特性阻抗小于上層，因此物位回波與發(fā)射信號反相。

導波雷達物位計通過(guò)測量物位回波和頂部回波之間的時(shí)間差計算物位高度，物位計的法蘭處到被測介質(zhì)表面的距離L與脈沖在桿上的傳播時(shí)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(guān)系：

實(shí)際上量程的上部和下部都會(huì )存在一個(gè)非線(xiàn)性特性的測量死區，其長(cháng)度分別為L(cháng)0和L1。實(shí)際物位h的可靠測量的范圍為L(cháng)0到H-L1。物位為L(cháng)0時(shí)對應的物位計模擬信號輸出為4mA，物位為H-L1時(shí)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(fā)模塊，信號處理模塊3個(gè)模塊構成。信號收發(fā)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(xié)同工作的電路設計方案，其中CPLD為信號收發(fā)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(fā)模塊的設計
雷達信號收發(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(guò)程。
CPLD在收到單片機發(fā)出測量啟動(dòng)信號后，開(kāi)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取樣脈沖后，控制高速四管平衡取樣門(mén)的導通與截止，實(shí)現等時(shí)間采樣?；夭ㄐ盘柦?jīng)過(guò)收發(fā)開(kāi)關(guān)進(jìn)入超低噪聲精密高速運放LT1 128放大后送入取樣門(mén)，經(jīng)等效時(shí)間采樣和保持后，送入信號處理部分。