基于MSP430F449的超低功耗高精度转达液位仪设计

CPU被中断唤醒后，打开电路中双路DDS、双路窄脉冲产生电路、ADC等部分电路，自身采集A/D转换后得到的数据。后39ms为电路休眠时间，MSP430F449的CPU关闭这些外围电路和片内外设，自身进入信号处理主程序，完成信号处理工作后再进入休眠模式。这种工作方式既考虑到对到系统功耗的要求，也兼顾了 MSP430F449的信号处理速度。 在信号处理机制上，由于系统要求的测量范围为0.25m～30m，精度为%26，以目前的电子技术水平，如果采用直接测量一个周期发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔的方式，是很难达到这样的要求的。所以在信号处理机制中采用了时间比例放大技术，并且以模拟相乘的方法实现了时间轴的放大。具体的电路实现用到了DDS技术和窄脉冲产生技术。 MSP430F449在系统中完成了对系统工作时序的控制、数据采集与信号处理、结构显示、与主机通信等诸多任务。下面将对具体的设计作一介绍。

2.2 MSP430F449对系统工作时序的控制

前面已经介绍过系统的间歇工作方式，这种工作方式的时序控制是利用MSP430F449的计数器的多路任意波形产生功能和中断控制功能，以及CPU的中断快速唤醒功能实现的。 系统复位后，MSP430F449首先对电路进行初始化，包括设置MSP430F449内部的两个16位计数器TA和TB及其中断、设置两路DDS、设置片内ADC、设置HART板等。之后，MSP430F449的CPU开计数器TB使其开始计数，自身则进入功耗极低的休眠模式。系统就在TB输出信号的控制下实现要求的工作时序。TB、TA的输出波形如图2所示。 其中，计数器A的输出信号设置为片内ADC的采样时钟源，采样频率设置为200kHz;计数器B的计数周期则设为40ms，并且设置相应通道的输出波形休眠。需要设置的MSP430F449和外部电路的工作或者休眠。需要设置的TB的寄存器有控制寄存器、计数值寄存器、捕获/比较控制寄存器、捕获/比较寄存器等，它们规定了TB的时钟源、工作方式、计数周期、输出模式、中断等。 图2中TB输出的几路波形中，TB1作为系统中断源，中断1时刻唤醒CPU，CPU打开ADC对回波信号进行采集，并采集回波数据;中断2时刻CPU关闭 ADC和外部电路。TB2、TB3分别控制两路窄脉冲产生电路的开与关。TB4作为双路DDS的开关信号。

2.3 MSP430F449测量方式与信号处理

前面说过，在信号处理机制上使用了具有创新意义的时间比例放大技术。这种技术将发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔按一定的比例放大，时间比例放大需要另一个频率与发射脉冲频率很近的参考信号。本设计中根据时间比例放大测量的需求分别产生1MHz、1MHz+100Hz和1MHz、1MHz+4MHz的双路信号控制发射脉冲和参考脉冲产生电路，并且需要能够精确控制它们的相对相位。这两路信号是通过MSP430F449控制双路直接数字频率合成器(DDS)AD9834而产生的。 DDS技术以其极高的频率分辨率、极短的频率转换时间、输出信号相位连续等特点而得到广泛应用。本设计中使用AD公司的DDS芯片AD9834，其内部包含相位累加器、编程寄存器、串行I/O接口、正弦查询表、D/A变换器等。AD9834频率控制字为28位，5MHz系统时钟时频率分辨率为 0.0186Hz，3V电源电压供电时功耗为20mW。AD9834提供低功耗模式，由TB4的输出信号进行控制。MSP430F449通信串行I/O口控制双路DDS输出频率和相对相位。MSP430F449控制两路频率分别为1.000119MHz和1.000123MHz的AD9834输出信号时频谱如图3所示。 一次完整的测量过程分为目标搜索和精确测量两部分。完成一次目标搜索需要两个TB周期，在这个阶段，发射脉冲的频率为1MHz+100Hz，参考脉冲的频率为1MHz。根据分析，此时时间比例放大系数K=10001，系统最大测量距离为30m，发射脉冲和接收脉冲最大时间间隔为200ns;经过时间比例放大后，最大时间间隔为2.0001ms，所以两个采样周期就可以把目标可以出现的位置都记录到。根据两次记录的数据判断目标出现位置，并换算成相位。在第三个TB周期，MSP430F449进入精确测量阶段，由目标搜索阶段中记录的目标相位值设置产生参考脉冲时钟的AD9834相位，频率设置为 1MHz+4Hz，产生脉冲时钟的AD9834频率设置为1MHz。此时，相应的比例放大系数K=250001，在200kHz采样时钟下，时间的分辨率为20ps，相应的距离分辨率为3mm，在精确测量阶段可以满足系统距离精度的要求。

2.4 MSP430F449与HART协议通信模块

液位仪的测量结果和PC机对液位仪的控制信号经HART通信模块传输。HART可寻址远程传感器。高速通道开放通信协议是一种应用于现场智能仪表和控制室设备间的通信协议，它采用在4～20mA模拟信号上叠加音频数字信号进行双向数字通讯，而不影