CPLD和MSP430单片机在导波雷达物位计中的应用

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。
关键词：导波雷达；物位计；等效时间采样；MSP430；CPLD

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。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△t成正比。设c为光速。罐体高度为H，则物位高度h和△t有如下关系：

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L1。实际物位h的可靠测量的范围为L0到H-L1。物位为L0时对应的物位计模拟信号输出为4mA，物位为H-L1时输出为20mA。

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。

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LT1 128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。