摘要:导波雷达物位计是物位测量领域一种非常重要的仪表,被广泛应用于各种物位测量工况,对测量精度要求较高。提高测量精度的一般方法就是提高采样速度,但是当采样速度提高之后,仪表采集的原始数据就会成倍的增加,这就要求CPU具有更大的内存空间,而且极大地增加了CPU软件处理数据的复杂程度,降低了仪表的响应速度。本文介绍一种基于粗采和精采的数据采集处理方法。

工业自动化领域用于连续料位测量的导波雷达物位计和脉冲雷达物位计是现代工业现场一种常见的仪表,测量原理是电磁波通过导波杆或天线发射出去,遇到被测物质后部分能量被反射回来,经过电路处理,送由CPU(单片机)采集,最后通过智能软件识别出有效回波,从而计算出仪表距离料位的距离,再依据安装罐体的高度,计算出实际的料高,CPU采集回波的频率直接影响了仪表本身的精度。

在软件处理采集到的原始回波时,目前不同厂家不同品牌分别有自己的方法,一种方法是使用固定频率的采样速度采集原始回波,然后通过数据处理算法分辨出有效回波位置,这种方法如果采样频率较低,则仪表本身测量的分辨率比较低,反之如果采样频率较高,则CPU需要很大的RAM区去存储采集到的波形,增加RAM区则CPU的价钱明显提高,相应的开发成本上升,而且CPU处理这些数据需要很长的时间,仪表的实时性降低。

第二种方法是先以比较低的频率采样原始回波,采样到原始回波之后,通过原始回波构建一条虚假回波,通过原始回波和虚假回波计算得出回波曲线,在回波曲线中找到有效波形(反射点)的位置,此时采样频率较低,找到的有效点的位置精度不高,为了解决这个问题,由于此时有效波形位置已经知道,接下来以较高的采样频率只采集有效波形位置,从而提高了仪表的精度。

1数据采集处理方法

选用瑞萨系列低功耗CPU,使用CPU内部自带的AD模块、DMA模块、定时器模块。采集波形时,使用定时器TA触发定时触发AD转换,AD转换完毕触发DMA传输数据。

1)粗采:即以相对比较低的采样频率采样原始回波信号,使用定时器定时25k产生中断信号触发AD转换,AD转换完成中断标志触发DMA传输数据,DMA将数据传输至CPU内部的RAM区,当DMA传输的数据个数达到1000个以后,DMA产生数据传输完成中断,粗采采集原始回波波形完成,波形如图1所示,给出数据处理标志,CPU处理数据,构建虚假回波,计算回波曲线,确定出起始点位置和真实有效回波位置,分别计算出精采(高频采样)起始点和有效波形位置需要的延时间。

2)精采起始点位置:即以相对比较高的采样频率采样原始回波信号起始点位置,根据粗采时计算出的延时时间,首先延时,当延时时间到了之后,控制AD、定时器TA、DMA模块以较高采样频率采集起始点位置附近80个点,如图2所示。

3)精采有效波形位置:即以相对比较高的采样频率采样原始回波信号有效波形位置,根据粗采时计算出的延时时间,首先延时,当延时时间到了之后,控制AD、定时器TA、DMA模块以较高采样频率采集有效波形位置附近80个点,如图3所示。当采集完成之后,给出数据计算标志,开始计算。

4)数据计算:根据精采采集的起始点、有效波形和延时时间,分别计算出准确地起始点位置和物料反射点位置,反射点位置和起始点位置之差即为反射距离对应的时间差,再根据保样频率计算出实际的料位。

综上所说,即通过粗采先确定出有效波形位置的大概位置,此时精度较低,再通过比较高的采样频率只采集这一段位置波形,采集计算过程如图4所示,从而在采集的数据量没有增加多少的基础上增加了仪表的测量精度。

image.png

2实验结果

实验使用传感器类型为杆式、长度为1m的导波雷达,测量介质为水,测量结果如下表所示(单位:m):

image.png

3 结束语

可以看出,使用粗采精采的这种方法之后,解决了只使用高频采样数据量大单片机RAM难以存储、计算复杂、计算时间长的问题,只对关心的有效位置进行高频精采,从而减小了CPU的计算任务量,提高了仪表的响应速度和测量精度。


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