基于MSP430F449的超低功耗高精度轉(zhuǎn)達(dá)液位儀設(shè)計(jì)

　　摘要：MSP430系列是TI公司的超低功耗單片機(jī)系列產(chǎn)品。這個(gè)系列的MCU具有極低的功耗，豐富的片內(nèi)外設(shè)，強(qiáng)大的處理能力，穩(wěn)定的工作狀態(tài)，非常適用于要求低功耗、高性能的嵌入式智能系統(tǒng)中。介紹了在低功耗、高精度智能雷達(dá)液位儀中的應(yīng)用，保證了系統(tǒng)達(dá)到較高的性能指標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：MSP430F449 雷達(dá)液位儀 直接數(shù)字頻率合成 HART協(xié)議

　　單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)滲透到人業(yè)生活的各個(gè)方面，廣泛應(yīng)用于家用電器、通信、工業(yè)控制待仿真度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)也呈現(xiàn)出高集成度、低功耗、基于閃存的可編程技術(shù)和將復(fù)雜模塊集成到內(nèi)部等發(fā)展趨勢(shì)。

　　TI公司的MSP430系列單片機(jī)就順應(yīng)了這些發(fā)展趨勢(shì)。它的低功耗特點(diǎn)使之特點(diǎn)適用于電池供電設(shè)備或手持設(shè)備中。該系列單處機(jī)還將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，所以也適合構(gòu)成較完整的片上系統(tǒng)。其豐富的型號(hào)給設(shè)計(jì)者選擇帶來(lái)了很大的靈活性。MSP430系列采用16位精簡(jiǎn)指令架構(gòu)，有大量工作寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(MSP430F449含有最多的2KB的RAM)，可以說(shuō)，MSP430系列單片機(jī)憑借這些杰出的性能特點(diǎn)，已成為眾多單片機(jī)中耀眼的新星。 雷達(dá)液位儀是雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于民用領(lǐng)域的典型例子，它用于石油工業(yè)等行業(yè)里高壓儲(chǔ)罐的液位測(cè)量中。國(guó)外公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，而國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究結(jié)果還不能令人滿意。所以研制高性能、智能化的雷達(dá)液位儀，對(duì)我國(guó)石油工業(yè)液位測(cè)量?jī)x器的更新具有重要意義。 為達(dá)到本質(zhì)安全的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研制的雷達(dá)液俠儀對(duì)系統(tǒng)提出了極為嚴(yán)格的要求，其功耗必須低于70mW，同時(shí)精度要求達(dá)到%26。這給 MSP430系列單片機(jī)提供了發(fā)揮特長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。通過(guò)選用這個(gè)系列產(chǎn)品中最高端的MSP430F449，充分利用其低功耗、高性能、豐富的片上外設(shè)等特點(diǎn)搭建系統(tǒng)平臺(tái)，再加上采用特殊的系統(tǒng)控制和信號(hào)處理機(jī)制，非常好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)指標(biāo)要求。

　　1 MSP430FF449簡(jiǎn)介

　　MSP430FF449是MSP430系列產(chǎn)品中最高檔的型號(hào)。它采用16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲(chǔ)器，性能價(jià)格比很高。它的特點(diǎn)有： %26;#183;超低的功耗：能夠在1.8～3.6V的電壓下工作;具有工作模式(AM)和五種低功耗模式(LPM)。在3V、1MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，各個(gè)工作模式下的供電電流典型值如表1所示。 表1 SMP430F449工作模式與耗電電流 工作模式 AM LPM0 LPM2 LMP3 LMP4 供電電流/μA 420 55 27 1.6 0.1 可見(jiàn)工作模式供電電流典型值低達(dá)420μA，低功耗，低功耗模式電流更是顯著降低，最低為0.1μA。 在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應(yīng)時(shí)間小于6μs。 %26;#183;較強(qiáng)的運(yùn)算功能：16位的RISC結(jié)構(gòu)，豐富的尋扯方式;具有16位中斷源，并且可以任意嵌套;在8MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下指令周期可達(dá) 125ns;內(nèi)部包含硬件乘法器和大量寄存器以及多達(dá)64K Byte和FLASH程序空間和2K Byte的RAM空間，為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和進(jìn)行運(yùn)算提供了保證。這些特點(diǎn)使MSP430F449具有很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，可以開(kāi)發(fā)出高效率的源程序。豐富的片上外設(shè)：包括看門狗定時(shí)器，基于定時(shí)器，比較器，16Bit定時(shí)器(TA、TB)，串口0、1，液晶顯示驅(qū)動(dòng)器，六個(gè)8bit 的I/O端口，12位ADC(最高采樣率200kHz)等。豐富的片上外設(shè)使設(shè)計(jì)者可以很方便地構(gòu)建一個(gè)較為完整的系統(tǒng)。另外，充分利用計(jì)數(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能，保證了一些復(fù)雜的時(shí)序控制任務(wù)的完成。 %26;#183;方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境：MSP430F449是FLASH型器件，片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口和電可擦寫(xiě)的FLASH存儲(chǔ)器，所以可以先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)得調(diào)試。這種方式不需要仿真器和編程器，調(diào)試十分方便。

　　2 雷達(dá)液位儀實(shí)現(xiàn)方案

　　2.1 雷達(dá)液位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　低功耗、高精度智能雷達(dá)液位儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖3 系統(tǒng)硬件分為三部分：測(cè)量模塊、HART通信模塊和測(cè)量線。測(cè)量模塊電路板包括MSP430F449控制器、直接數(shù)字頻率合成器(DDS)控制的窄脈沖產(chǎn)生電路、脈沖收發(fā)與處理電路、A/D采樣、結(jié)果顯示等。這個(gè)模塊完成距離的精確測(cè)量，并實(shí)時(shí)時(shí)通過(guò)HART板同上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。HART板完成 MSP430F449控制器與上位進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。HART板完成MSP430F449控制器與上位機(jī)的通信、4～20mA電流的產(chǎn)生、電源電壓的轉(zhuǎn)換。測(cè)量線包括與測(cè)量板之間的機(jī)械接口、法蘭和電纜。該系統(tǒng)還包括主控計(jì)算機(jī)上的人機(jī)交互軟件，系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)的連接采用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線制，即電源線和信號(hào)線共用。 在系統(tǒng)工作時(shí)序的設(shè)計(jì)中，采用系統(tǒng)間歇工作方式，以40ms為一個(gè)周期。前1ms為電路工作時(shí)間，MSP430F449的CPU被中斷喚醒后，打開(kāi)電路中雙路DDS、雙路窄脈沖產(chǎn)生電路、ADC等部分電路，自身采集A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)。后39ms為電路休眠時(shí)間，MSP430F449的CPU關(guān)閉這些外圍電路和片內(nèi)外設(shè)，自身進(jìn)入信號(hào)處理主程序，完成信號(hào)處理工作后再進(jìn)入休眠模式。這種工作方式既考慮到對(duì)到系統(tǒng)功耗的要求，也兼顧了 MSP430F449的信號(hào)處理速度。 在信號(hào)處理機(jī)制上，由于系統(tǒng)要求的測(cè)量范圍為0.25m～30m，精度為%26，以目前的電子技術(shù)水平，如果采用直接測(cè)量一個(gè)周期發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間間隔的方式，是很難達(dá)到這樣的要求的。所以在信號(hào)處理機(jī)制中采用了時(shí)間比例放大技術(shù)，并且以模擬相乘的方法實(shí)現(xiàn)了時(shí)間軸的放大。具體的電路實(shí)現(xiàn)用到了DDS技術(shù)和窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)。 MSP430F449在系統(tǒng)中完成了對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)序的控制、數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理、結(jié)構(gòu)顯示、與主機(jī)通信等諸多任務(wù)。下面將對(duì)具體的設(shè)計(jì)作一介紹。

　　2.2 MSP430F449對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)序的控制

　　前面已經(jīng)介紹過(guò)系統(tǒng)的間歇工作方式，這種工作方式的時(shí)序控制是利用MSP430F449的計(jì)數(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能，以及CPU的中斷快速喚醒功能實(shí)現(xiàn)的。 系統(tǒng)復(fù)位后，MSP430F449首先對(duì)電路進(jìn)行初始化，包括設(shè)置MSP430F449內(nèi)部的兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器TA和TB及其中斷、設(shè)置兩路DDS、設(shè)置片內(nèi)ADC、設(shè)置HART板等。之后，MSP430F449的CPU開(kāi)計(jì)數(shù)器TB使其開(kāi)始計(jì)數(shù)，自身則進(jìn)入功耗極低的休眠模式。系統(tǒng)就在TB輸出信號(hào)的控制下實(shí)現(xiàn)要求的工作時(shí)序。TB、TA的輸出波形如圖2所示。 其中，計(jì)數(shù)器A的輸出信號(hào)設(shè)置為片內(nèi)ADC的采樣時(shí)鐘源，采樣頻率設(shè)置為200kHz;計(jì)數(shù)器B的計(jì)數(shù)周期則設(shè)為40ms，并且設(shè)置相應(yīng)通道的輸出波形休眠。需要設(shè)置的MSP430F449和外部電路的工作或者休眠。需要設(shè)置的TB的寄存器有控制寄存器、計(jì)數(shù)值寄存器、捕獲/比較控制寄存器、捕獲/比較寄存器等，它們規(guī)定了TB的時(shí)鐘源、工作方式、計(jì)數(shù)周期、輸出模式、中斷等。 圖2中TB輸出的幾路波形中，TB1作為系統(tǒng)中斷源，中斷1時(shí)刻喚醒CPU，CPU打開(kāi)ADC對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采集，并采集回波數(shù)據(jù);中斷2時(shí)刻CPU關(guān)閉 ADC和外部電路。TB2、TB3分別控制兩路窄脈沖產(chǎn)生電路的開(kāi)與關(guān)。TB4作為雙路DDS的開(kāi)關(guān)信號(hào)。

　　2.3 MSP430F449測(cè)量方式與信號(hào)處理

　　前面說(shuō)過(guò)，在信號(hào)處理機(jī)制上使用了具有創(chuàng)新意義的時(shí)間比例放大技術(shù)。這種技術(shù)將發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間間隔按一定的比例放大，時(shí)間比例放大需要另一個(gè)頻率與發(fā)射脈沖頻率很近的參考信號(hào)。本設(shè)計(jì)中根據(jù)時(shí)間比例放大測(cè)量的需求分別產(chǎn)生1MHz、1MHz+100Hz和1MHz、1MHz+4MHz的雙路信號(hào)控制發(fā)射脈沖和參考脈沖產(chǎn)生電路，并且需要能夠精確控制它們的相對(duì)相位。這兩路信號(hào)是通過(guò)MSP430F449控制雙路直接數(shù)字頻率合成器(DDS)AD9834而產(chǎn)生的。 DDS技術(shù)以其極高的頻率分辨率、極短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、輸出信號(hào)相位連續(xù)等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中使用AD公司的DDS芯片AD9834，其內(nèi)部包含相位累加器、編程寄存器、串行I/O接口、正弦查詢表、D/A變換器等。AD9834頻率控制字為28位，5MHz系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)頻率分辨率為 0.0186Hz，3V電源電壓供電時(shí)功耗為20mW。AD9834提供低功耗模式，由TB4的輸出信號(hào)進(jìn)行控制。MSP430F449通信串行I/O口控制雙路DDS輸出頻率和相對(duì)相位。MSP430F449控制兩路頻率分別為1.000119MHz和1.000123MHz的AD9834輸出信號(hào)時(shí)頻譜如圖3所示。 一次完整的測(cè)量過(guò)程分為目標(biāo)搜索和精確測(cè)量?jī)刹糠?。完成一次目?biāo)搜索需要兩個(gè)TB周期，在這個(gè)階段，發(fā)射脈沖的頻率為1MHz+100Hz，參考脈沖的頻率為1MHz。根據(jù)分析，此時(shí)時(shí)間比例放大系數(shù)K=10001，系統(tǒng)最大測(cè)量距離為30m，發(fā)射脈沖和接收脈沖最大時(shí)間間隔為200ns;經(jīng)過(guò)時(shí)間比例放大后，最大時(shí)間間隔為2.0001ms，所以兩個(gè)采樣周期就可以把目標(biāo)可以出現(xiàn)的位置都記錄到。根據(jù)兩次記錄的數(shù)據(jù)判斷目標(biāo)出現(xiàn)位置，并換算成相位。在第三個(gè)TB周期，MSP430F449進(jìn)入精確測(cè)量階段，由目標(biāo)搜索階段中記錄的目標(biāo)相位值設(shè)置產(chǎn)生參考脈沖時(shí)鐘的AD9834相位，頻率設(shè)置為 1MHz+4Hz，產(chǎn)生脈沖時(shí)鐘的AD9834頻率設(shè)置為1MHz。此時(shí)，相應(yīng)的比例放大系數(shù)K=250001，在200kHz采樣時(shí)鐘下，時(shí)間的分辨率為20ps，相應(yīng)的距離分辨率為3mm，在精確測(cè)量階段可以滿足系統(tǒng)距離精度的要求。

　　2.4 MSP430F449與HART協(xié)議通信模塊

　　液位儀的測(cè)量結(jié)果和PC機(jī)對(duì)液位儀的控制信號(hào)經(jīng)HART通信模塊傳輸。HART可尋址遠(yuǎn)程傳感器。高速通道開(kāi)放通信協(xié)議是一種應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備間的通信協(xié)議，它采用在4～20mA模擬信號(hào)上疊加音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，而不影響傳送給控制系統(tǒng)的模擬信號(hào)的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)兼容。本設(shè)計(jì)中采用HART協(xié)議的簡(jiǎn)化三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。HART協(xié)議框圖如圖4所示。

　　HART通信模塊在硬件設(shè)計(jì)中也采用了低功耗設(shè)計(jì)方案選用低功耗器件，其硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。 D/A轉(zhuǎn)換器AD421輸出符合兩線制的4～20mA電流的直流信號(hào)，HART調(diào)制解調(diào)器HT2015及其附屬電路實(shí)現(xiàn)HART通信的調(diào)制解調(diào)器功能。 MSP430F449通過(guò)內(nèi)部集成的通用串行收發(fā)模塊UART與HART通信模塊連接，經(jīng)過(guò)HART通信模塊對(duì)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)后再通過(guò)雙線與主控計(jì)算機(jī)的串口進(jìn)行異步串行通信，計(jì)算機(jī)的串口上裝有HART轉(zhuǎn)換卡。另外，HART通信模塊還采用DC-DC轉(zhuǎn)換芯片MAX1745完成電源電壓的轉(zhuǎn)換，為整個(gè)系統(tǒng)供電。 具體協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)可以自己靈活編制。與傳統(tǒng)方案相比，該方案具有可靠性較高、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。 雷達(dá)液位儀達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)主要有：最大測(cè)量范圍30m，分辨率1mm，測(cè)量誤差≤5mm，3.3V電壓工作時(shí)工作電流8.5mA，功耗30mW。