CPLD和MSP430單片機(jī)在導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)中的應(yīng)用
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3．1 CPLD在發(fā)射模塊中的應(yīng)用
如果導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)發(fā)射脈沖信號的脈寬過寬，將會導(dǎo)致系統(tǒng)的分辨率降低和測量死區(qū)的增加。為此需要產(chǎn)生寬度窄、幅度大和重復(fù)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(dá)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、頻率通過編程可調(diào)等特點(diǎn)，很適合本系統(tǒng)。
3．2 CPLD在接收模塊中的應(yīng)用
由于系統(tǒng)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(dá)到需要的物位精度，測時精度要達(dá)到皮秒數(shù)量級。如果用數(shù)字計(jì)數(shù)法和實(shí)時采樣法等傳統(tǒng)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(zhǔn)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(guī)律重新組合，得到與原信號相似的波形，從而實(shí)現(xiàn)利用較低的實(shí)時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(xiàn)窄脈沖在時間軸上的精確放大，對后續(xù)電路的要求大大降低。其原理框圖如圖3所示。由于導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的回波信號為準(zhǔn)周期性重復(fù)信號，因此可用等效時間采樣法來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的回波信號的時間間隔檢測。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/170644.htm
由等效采樣的原理可以知道，采樣信號的重復(fù)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(chǎn)生具有穩(wěn)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(shù)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(shè)計(jì)。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(dá)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)延時的數(shù)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(nèi)的信號采樣完整，必須一個周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)范圍為△t～25 000△t的延時。而AD9500是八位延時芯片只能產(chǎn)生△t～256△t的延時，因此需要采用兩片AD9500級連的方式進(jìn)行擴(kuò)展，使數(shù)字控制位數(shù)擴(kuò)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，一片產(chǎn)生小延時，兩者的數(shù)字控制位數(shù)是高8位和低8位的關(guān)系。
AD9500對控制信號時序的要求較高，使用CPLD可以對AD9500進(jìn)行較精確的時序控制。CPLD提供AD9500的觸發(fā)信號、鎖存信號以及延時控制字。每完成一次觸發(fā)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(nèi)部，等待下次觸發(fā)到來。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(jī)為核心的信號處理模塊設(shè)計(jì)
TI公司的MSP430單片機(jī)作為一種低功耗的16位單片機(jī)，在智能儀表中應(yīng)用廣泛。這里選用MSP430F149單片機(jī)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(shè)計(jì)。
4．1 物位測量模塊電路設(shè)計(jì)
導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)在進(jìn)行物位測量時，收發(fā)電路發(fā)射的脈沖信號的幅值是一個固定值。而從介質(zhì)液面反射的回波信號的幅值大小會受介質(zhì)的介電常數(shù)、導(dǎo)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(jìn)行放大處理，便于后續(xù)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(jī)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(dá)信號收發(fā)模塊中，回波信號經(jīng)過等效時間采樣和保持，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(jī)的不同引腳，單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)時器計(jì)算兩者之間的時差，并根據(jù)其他參數(shù)計(jì)算時差對應(yīng)的物位值，多次計(jì)算后進(jìn)行數(shù)字濾波得到一個穩(wěn)定的物位值。
4．2 電源電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中要用到多種電源，這里選擇AD421作為電源轉(zhuǎn)換芯片。AD421是一個16位4～20mA電流輸出DAC。同時當(dāng)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(zhuǎn)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(diào)整器HT7133把AD421輸出的+5V電壓轉(zhuǎn)換為+33V。電路中還要用到到負(fù)電源，采用負(fù)電源轉(zhuǎn)換芯片TP7660把+1．2～+8 V的電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的-1．2～8 V輸出。
4．3 通信電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)的3個IO口和AD421通過同步串行接口相連，實(shí)現(xiàn)物位計(jì)4～20 mA輸出的功能。單片機(jī)物位信息經(jīng)過計(jì)算，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流值對應(yīng)的數(shù)字量傳給AD421，AD421會輸出對應(yīng)的4～20mA電流。
物位信息還可通過MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成的通用串行輸出，串口可連接上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)物位趨勢圖顯示等功能。
此外系統(tǒng)還可擴(kuò)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(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，所以不會對模擬信號產(chǎn)生影響，這里采用低功耗芯片HT20C12和單片機(jī)的串口相連來實(shí)現(xiàn)HART信號的調(diào)制和解調(diào)。圖6是系統(tǒng)通信部分的電路框圖。
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