CPLD和MSP430單片機(jī)在導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)中的應(yīng)用

摘要：導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)是一種利用時(shí)域反射原理實(shí)現(xiàn)的高性能物位計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)這一高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)，采用了CPLD和MSP430單片機(jī)協(xié)同工作的電路設(shè)計(jì)。CPLD為信號(hào)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(hào)，并在接收電路中控制可編程延時(shí)器件AD9500實(shí)現(xiàn)等效時(shí)間采樣，把高頻的回波脈沖信號(hào)在時(shí)間軸上放大為低頻信號(hào)。以MSP430為核心的信號(hào)處理模塊根據(jù)收發(fā)模塊傳來(lái)的信號(hào)計(jì)算物位，并把物位信息以4-20 mA信號(hào)、串口等方式輸出，同時(shí)MSP430還對(duì)液晶屏、按鍵等外圍器件進(jìn)行控制。實(shí)際試驗(yàn)表明系統(tǒng)各模塊的工作狀態(tài)與理論分析相符。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)波雷達(dá)；物位計(jì)；等效時(shí)間采樣；MSP430；CPLD

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)具有受溫度、壓力、霧氣、泡沫及被測(cè)介質(zhì)物理特性變化的影響較小的優(yōu)點(diǎn)。而且其測(cè)量精確，性能穩(wěn)定。在石化、電力、冶金、等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是近年來(lái)發(fā)展最快的一種物位測(cè)量技術(shù)。目前已有的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)多是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品且價(jià)格較高，低成本的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)有很大的市場(chǎng)前景。

1 雷達(dá)導(dǎo)波物位計(jì)的測(cè)量原理
導(dǎo)波雷達(dá)是非接觸式雷達(dá)和導(dǎo)波天線結(jié)合的產(chǎn)物。它運(yùn)用了TDR(時(shí)域反射)的原理。
圖1是導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的測(cè)量原理，電磁波發(fā)射模塊發(fā)射窄脈沖信號(hào)進(jìn)入同軸電纜，信號(hào)傳播到同軸電纜和導(dǎo)波桿的連接處(法蘭處)會(huì)首先發(fā)生斷路，一部分信號(hào)會(huì)反射產(chǎn)生一個(gè)頂部回波，其余信號(hào)繼續(xù)沿導(dǎo)波桿傳播。當(dāng)信號(hào)與被測(cè)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(hào)也會(huì)被反射，產(chǎn)生物位回波，此后信號(hào)在導(dǎo)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(jù)傳輸線理論，頂部回波和底部回波是斷路產(chǎn)生的，所以與發(fā)射信號(hào)同相。一般下層介質(zhì)的介電常數(shù)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(hào)反相。

導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)通過(guò)測(cè)量物位回波和頂部回波之間的時(shí)間差計(jì)算物位高度，物位計(jì)的法蘭處到被測(cè)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(shè)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)非線性特性的測(cè)量死區(qū)，其長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)0和L1。實(shí)際物位h的可靠測(cè)量的范圍為L(zhǎng)0到H-L1。物位為L(zhǎng)0時(shí)對(duì)應(yīng)的物位計(jì)模擬信號(hào)輸出為4mA，物位為H-L1時(shí)輸出為20mA。

2 雷達(dá)導(dǎo)波物位計(jì)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)由機(jī)械部分，信號(hào)收發(fā)模塊，信號(hào)處理模塊3個(gè)模塊構(gòu)成。信號(hào)收發(fā)模塊和信號(hào)處理模塊兩部分的電路設(shè)計(jì)采用了CPLD和MSP430單片機(jī)協(xié)同工作的電路設(shè)計(jì)方案，其中CPLD為信號(hào)收發(fā)模塊的控制核心，MSP430單片為信號(hào)處理模塊的控制核心。導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 CPLD為核心的信號(hào)收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)
雷達(dá)信號(hào)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(jī)發(fā)出測(cè)量啟動(dòng)信號(hào)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(dǎo)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(fù)取樣脈沖后，控制高速四管平衡取樣門的導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)等時(shí)間采樣。回波信號(hào)經(jīng)過(guò)收發(fā)開(kāi)關(guān)進(jìn)入超低噪聲精密高速運(yùn)放LT1 128放大后送入取樣門，經(jīng)等效時(shí)間采樣和保持后，送入信號(hào)處理部分。