摘要: 导波雷达物位计是一种利用时域反射原理实现的高性能物位计。 为了实现导波雷达物位计这一高精度时差测量系统,采用了 CPLD 和 MSP430 单片机协同工作的电路设计。 CPLD 为信号收发模块的核心,为发射电路中提供窄脉冲产生电路的周期触发信号,并在接收电路中控制可编程延时器件 AD9500 实现等效时间采样,把高频的回波脉冲信号在时间轴上放大为低频信号。 以 MSP430 为核心的信号处理模块根据收发模块传来的信号计算物位,并把物位信息以 4~20 mA 信号、串口等方式输出,同时MSP430 还对液晶屏、按键等外围器件进行控制。 实际试验表明系统各模块的工作状态与理论分析相符。

导波雷达物位计具有受温度、压力、雾气、泡沫及被测介 质物理特性变化的影响较小的优点。 而且其测量精确,性能 稳定,在石化、电力、冶金、等领域得到了广泛的应用,是近年 来发展最快的一种物位测量技术。 目前已有的导波雷达物位 计多是国外进口产品且价格较高,低成本的导波雷达物位计 有很大的市场前景。

1 雷达导波物位计的测量原理 

导波雷达是非接触式雷达和导波天线结合的产物。 它运 用了 TDR(时域反射)的原理。 图 1 是导波雷达物位计的测量原理,电磁波发射模块发 射窄脉冲信号进入同轴电缆,信号传播到同轴电缆和导波杆 的连接处(法兰处)会首先发生断路,一部分信号会反射产生 一个顶部回波,其余信号继续沿导波杆传播。 当信号与被测 液体表面接触时,其阻抗特性会发生变化,一部分信号也会被反射,产生物位回波,此后信号在导波杆的底部断路处还 会产生一个能量较小的底部回波。

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 根据传输线理论,顶部回波和底部回波是断路产生的,所以与发射信号同相。 一般下 层介质的介电常数大于上层介质,特性阻抗小于上层,因此 物位回波与发射信号反相。

导波雷达物位计通过测量物位回波和顶部回波之间的 时间差计算物位高度,物位计的法兰处到被测介质表面的距 离 L 与脉冲在杆上的传播时间 Δt 成正比。 设 c 为光速。 罐体 高度为 H,则物位高度 h 和 Δt 有如下关系:

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实际上量程的上部和下部都会存在一个非线性特性的 测量死区,其长度分别为 L0和 L 1。 实际物位 h 的可靠测量的 范围为 L0到 H-L 1。 物位为 L 0 时对应的物位计模拟信号输出 为 4 mA,物位为 H-L1时输出为 20 mA。

2 雷达导波物位计系统整体方案设计 

导波雷达物位计由机械部分,信号收发模块,信号处理 模块 3 个模块构成。 信号收发模块和信号处理模块两部分的 电路设计采用了 CPLD 和 MSP430 单片机协同工作的电路设 计方案,其中 CPLD 为信号收发模块的控制核心,MSP430 单 片为信号处理模块的控制核心。 导波雷达物位计的系统框图 如图 2 所示。

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3 CPLD 为核心的信号收发模块的设计

雷达信号收发模块由可编程逻辑器件 CPLD 为核心,下 面介绍收发模块的工作过程。

CPLD 在收到单片机发出测量启动信号后 ,开始产生 2 M 的触发方波,触发方波被微分电路微分整形后进入窄脉冲产 生电路触发雪崩三极管, 产生脉宽约为 1~2 ns 左右的窄脉 冲。 脉冲波在法兰处的同轴电缆与导波体的连接处产生顶部 回波,在物料界面处产生物位回波。

与此同时,CPLD 控 制 延 时芯 片 AD9500 产 生 2 M 触 发 方波的步进延时方波,方波被微分整形后,产生控制等效时 间采样的取样脉冲。 取样脉冲整形为正负取样脉冲后,控制 高速四管平衡取样门的导通与截止,实现等时间采样。 回波信号经过收发开关进入超低噪声精密高速运放 LT1128 放大后 送入取样门,经等效时间采样和保持后,送入信号处理部分。

3.1 CPLD 在发射模块中的应用

如果导波雷达物位计发射脉冲信号的脉宽过宽,将会导 致系统的分辨率降低和测量死区的增加。 为此需要产生宽度 窄、幅度大和重复频率高且波形好的发射脉冲信号。 脉冲产 生方式主要有气体放电、雪崩三极管和阶跃二极管等,其中 用的较多的是雪崩三极管,产生的脉宽可达 1~2 ns。

CPLD 在发射模块中的主要作用是产生 2M 的触发方波 , 该方波经微分整形产生 2 MHz 周期触发脉冲,处理后可以推 动雪 崩 三极 管 迅 速进 入 雪 崩状 态 ,从 而得 到 需 要 的 周 期 为 2 M 宽度为 1~2 ns 的窄脉冲信号 。 CPLD 产生的方波具有波 形好,宽度、频率通过编程可调等特点,很适合本系统。

3.2 CPLD 在接收模块中的应用

由于系统采用的窄脉冲信号在空间中传播的速度接近 光速,在测量的过程中,窄脉冲信号的行程时间仅为纳秒量 级,如果直接测时间差,为了达到需要的物位精度,测时精度 要达到皮秒数量级。 如果用数字计数法和实时采样法等传统 时间测量方式很难满足要求。

等效时间采样是指对于频率很高的周期性或准周期性 被采样信号,可以用较慢的采样频率捕获被采样信号的样本 值,然后按照一定的规律重新组合,得到与原信号相似的波 形,从而实现利用较低的实时采样速率获取较高的等效采样 速率。 使用该方法,可以实现窄脉冲在时间轴上的精确放大, 对后续电路的要求大大降低。 其原理框图如图 3 所示。 由于 导波雷达物位计的回波信号为准周期性重复信号,因此可用 等效时间采样法来实现导波雷达物位计的回波信号的时间 间隔检测。

图 3 是等效时间采样的原理图。

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由等效采样的原理可以知道,采样信号的重复周期与采 样脉冲周期之间的差值 Δt 越小,采样的精度就越高。 所以产 生具有稳定和高精度步进值的采样脉冲信号是关键。 这里选 择 AD 公司的 8 位数字可编程延时器件 AD9500, 它采用高 性能双极型工艺,专为高速电路设计。 AD9500 的满程编程延 时为 2.5 ns~10 μs(由外接电阻电容决定),最小延时分辨率 更是可达 10 ps。 只需要提供外部触发信号、锁存信号以及控 制步进延时的数字控制字,AD9500 就能产生相对于触发信 号具有步进延时的脉冲信号。

回波脉冲的频率为 2 M,周期为 500 ns,取 Δt=20 ps,为 了把一个周期内的信号采样完整, 必须一个周期内实现范 围为 Δt~25 000Δt 的延时。 而 AD9500 是八位延时芯片只能 产生 Δt~256Δt 的延时, 因此需要采用两片 AD9500 级连的 方式进行扩展,使数字控制位数扩展到 16 位。 图 4 是 CPLD 和 AD9500 的连接示意图,两片 AD9500 一 片 产 生大 延 时 , 一片产生小延时, 两者的数字控制位数是高 8 位和低 8 位 的关系。

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AD9500 对控制信号时序的要求较高 , 使用 CPLD 可以 对 AD9500 进行较精确的时序控制。 CPLD 提供 AD9500 的触 发信号、锁存信号以及延时控制字。 每完成一次触发延时后, 送入 CPLD 的延时控制字就加 1, 然后送锁存信号使控制字 锁存至 AD9500 内部,等待下次触发到来。要注意保证锁存信 号与触发信号同频率,且必须在触发信号产生后产生。

4 MSP 单片机为核心的信号处理模块设计

TI 公司的 MSP430 单片机作为一种低功耗的 16 位单片 机,在智能仪表中应用广泛。这里选用 MSP430F149 单片机作 为信号处理模块的控制核心。 下面分模块介绍信号处理模块 的电路和软件设计。 4.1 物位测量模块电路设计 导波雷达物位计在进行物位测量时,收发电路发射的脉 冲信号的幅值是一个固定值。 而从介质液面反射的回波信号 的幅值大小会受介质的介电常数、导波杆杆长等很多因素的 影响。 因此反射得到的回波信号的幅值会有大有小。 在不同 的使用工况下,需要把回波信号进行放大处理,便于后续的 比 较 电 路 进 行 处 理 。 这 里 选 用 低 噪 声 可 变 增 益 放 大 器 AD604,它的增益由 VGE 引脚的输入电压确定 。 单片机控制 八位高速 DAC TVL7524 控制 VGE 引脚的输入电压,从而控 制 AD604 的增益。

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图 5 是物位测量模块的电路框图。 在雷达信号收发模块 中,回波信号经过等效时间采样和保持,已经变为较低频率 的信号,信号在进入可变增益放大器放大后分为两路,分别 进入顶部回波比较器和物位回波比较器(反相比较),比较器 芯 片 选 用 超 高 速 比 较 器 AD9696。 比 较 产 生 的 脉 冲 进 入 MSP430 单片机的不同引脚 , 单片机的内部计时器计算两者 之间的时差,并根据其他参数计算时差对应的物位值,多次 计算后进行数字滤波得到一个稳定的物位值。

4.2 电源电路设计 

系统中要用到多种电源,这里选择 AD421 作为电源转换 芯片。 AD421 是一个 16 位 4~20 mA 电流输出 DAC。 同时当 外部电源给 AD421 提供+24 V 的电压时,AD421 芯片有 3 个 输出引脚可分别输出+5 V、+1.25 V、+2.5 V 的电压,所以它同 时是一个智能仪表中常用的电源转换芯片。 MSP430 的工作电压范围为+1.8~+3.6 V, 采用低功耗电 压调整器 HT7133 把 AD421 输出的+5 V 电压转换为+3.3 V。 电 路中还要用到到负电源, 采用负电源转换芯片 TP7660 把+ 1.2~+8 V 的电压转换成相应的-1.2~-8 V 输出。

4.3 通信电路设计 

单片机的 3 个 IO 口和 AD421 通过同步串行接口相连, 实现物位计 4~20 mA 输出的功能。 单片机物位信息经过计 算, 转化为相应的电流值对应的数字量传给 AD421,AD421 会输出对应的 4~20 mA 电流。 物位信息还可通过 MSP430 单片机内部集成的通用串行 输出,串口可连接上位机软件实现物位趋势图显示等功能。 

此外系统还可扩展 HART 总线传输液位信息,HART 总 线是一种兼容 4~20 mA 信号的通信总线,在智能仪表行业中 使用广泛。 HART 通信协议采用在 4~20 mA 模拟信号上叠加 0.5 mA 的 FSK(频移键控)信号进行通信,由于 FSK 信号平均 值为零,所以不会对模拟信号产生影响,这里采用低功耗芯 片 HT20C12 和单片机的串口相连来实现 HART 信号的调制 和解调。 图 6 是系统通信部分的电路框图。

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4.4 人机接口电路设计

导波雷达物位计作为一台智能仪表,需要有良好的人机 接口,从而实现显示物位信息和查看修改参数的功能。 显示 部分选用了性价比较高的 5110 液晶模块, 它是 84×48 的点 阵 LCD,可显示两行汉字。 导波雷达物位计需要对系统参数 进行设定,共 设 计 了 6 个 按 键 ,分别 代 表 左、右 、改 数 字、确 定、取消和复位。 过这些按键配合 LCD 显示能够方便的完成 各参数的设定。

4.5 MSP430 单片机的软件设计 

MSP430 单片机的软件设计在 IAR EW for MSP430 编程 环境下进行。 程序设计中充分考虑到了仪表的低功耗和高稳 定性的要求。 图 7 为单片机的主程序流程图和程序中液位测 量部分的流程图。

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5 系统测试试验 

为了验证上述电路设计的可行性,我们对电路进行了制 板,并把仪表厂家提供的机械部分和我们的电路部分相连进 行了初步的验证试验。 试验在常温下的实验室环境下进行, 被测液体为水(介电常数约为 81.5)。

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图左边中在电路板与同轴电缆 SMA 接头处测得回波脉 冲,图中可以清楚的看到顶部回波和物位回波的波峰。 两者 的脉宽都约为 2 ns,波峰之间的时间差为 8.3 ns。 考虑到示波 器的误差,8.3 ns 的时间差对应的法兰到液位表面的距离应 为 1.245±0.15 m 和实测的 1.26 m 相符。 右边为等效时间采样后的回波脉冲, 两者波峰之间的时间间隔约为 215 μs,在 时间轴上放大了 2.59×105倍和理论值 2.5×105倍相符, 这说 明 等 效 时 间 采 样 实 现 了 高 频 信 号 在 时 间 轴 上 的 放 大 。 当 MSP430 单 片 机 设置 罐 高 为 6 m 时 , 液 晶 显 示 的 液 位 高 在 4.730~4.746 m 之间,和理论值的 4.74 m 误差小于 0.01 m。

6 结 论 

导波雷达物位计采用了CPLD加MSP430的电路设计方案。 因为信号收发部分属于高速电路,对波形时序的要求 较高,所以选用了可编程逻辑器件 CPLD。 而信号处理部分 的计算任务较重,因此选用了处理能力较强的 MSP430 单片 机。 两者协同工作优势互补, 实现了高精度的时差测量系 统,和其他方案相比有较高的性价比和可靠性,实现了较高 的测量精度。

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