CPLD和MSP430單片機在導波雷達物位計中的應用
加入技術(shù)交流群
3．1 CPLD在發(fā)射模塊中的應用
如果導波雷達物位計發(fā)射脈沖信號的脈寬過(guò)寬，將會(huì )導致系統的分辨率降低和測量死區的增加。為此需要產(chǎn)生寬度窄、幅度大和重復頻率高且波形好的發(fā)射脈沖信號。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。CPLD產(chǎn)生的方波具有波形好，寬度、頻率通過(guò)編程可調等特點(diǎn)，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(guò)程中，窄脈沖信號的行程時(shí)間僅為納秒量級，如果直接測時(shí)間差，為了達到需要的物位精度，測時(shí)精度要達到皮秒數量級。如果用數字計數法和實(shí)時(shí)采樣法等傳統時(shí)間測量方式很難滿(mǎn)足要求。
等效時(shí)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(shí)現利用較低的實(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)現窄脈沖在時(shí)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(shí)間采樣法來(lái)實(shí)現導波雷達物位計的回波信號的時(shí)間間隔檢測。本文引用地址：http://dyxdggzs.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(wèn)的差值△t越小，采樣的精度就越高。所以產(chǎn)生具有穩定和高精度步進(jìn)值的采樣脈沖信號是關(guān)鍵。這里選擇AD公司的8位數字可編程延時(shí)器件AD9500，它采用高性能雙極型工藝，專(zhuān)為高速電路設計。AD9500的滿(mǎn)程縮程延時(shí)為2．5 ns～10μs(由外接電阻電容決定)，最小延時(shí)分辨率更是可達10 ps。只需要提供外部觸發(fā)信號、鎖存信號以及控制步進(jìn)延時(shí)的數字控制字，AD9500就能產(chǎn)生相對于觸發(fā)信號具有步進(jìn)延時(shí)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(gè)周期內的信號采樣完整，必須一個(gè)周期內實(shí)現范圍為△t～25 000△t的延時(shí)。而AD9500是八位延時(shí)芯片只能產(chǎn)生△t～256△t的延時(shí)，因此需要采用兩片AD9500級連的方式進(jìn)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(chǎn)生大延時(shí)，一片產(chǎn)生小延時(shí)，兩者的數字控制位數是高8位和低8位的關(guān)系。
AD9500對控制信號時(shí)序的要求較高，使用CPLD可以對AD9500進(jìn)行較精確的時(shí)序控制。CPLD提供AD9500的觸發(fā)信號、鎖存信號以及延時(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，然后送鎖存信號使控制字鎖存至AD9500內部，等待下次觸發(fā)到來(lái)。要注意保證鎖存信號與觸發(fā)信號同頻率，且必須在觸發(fā)信號產(chǎn)生后產(chǎn)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(jìn)行物位測量時(shí)，收發(fā)電路發(fā)射的脈沖信號的幅值是一個(gè)固定值。而從介質(zhì)液面反射的回波信號的幅值大小會(huì )受介質(zhì)的介電常數、導波桿桿長(cháng)等很多因素的影響。因此反射得到的回波信號的幅值會(huì )有大有小。在不同的使用工況下，需要把回波信號進(jìn)行放大處理，便于后續的比較電路進(jìn)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(fā)模塊中，回波信號經(jīng)過(guò)等效時(shí)間采樣和保持，已經(jīng)變?yōu)檩^低頻率的信號，信號在進(jìn)入可變增益放大器放大后分為兩路，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單片機的不同引腳，單片機的內部計時(shí)器計算兩者之間的時(shí)差，并根據其他參數計算時(shí)差對應的物位值，多次計算后進(jìn)行數字濾波得到一個(gè)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(gè)16位4～20mA電流輸出DAC。同時(shí)當外部電源給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(gè)IO口和AD421通過(guò)同步串行接口相連，實(shí)現物位計4～20 mA輸出的功能。單片機物位信息經(jīng)過(guò)計算，轉化為相應的電流值對應的數字量傳給AD421，AD421會(huì )輸出對應的4～20mA電流。
物位信息還可通過(guò)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(shí)現物位趨勢圖顯示等功能。
此外系統還可擴展HART總線(xiàn)傳輸液位信息，HART總線(xiàn)是一種兼容4～20 mA信號的通信總線(xiàn)，在智能儀表行業(yè)中使用廣泛。HART通信協(xié)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(jìn)行通信，由于FSK信號平均值為零，所以不會(huì )對模擬信號產(chǎn)生影響，這里采用低功耗芯片HT20C12和單片機的串口相連來(lái)實(shí)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