CPLD和MSP430单片机在导波雷达物位计中的应用

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问的差值△t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的满程缩程延时为2．5 ns～10μs(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500ns，取△t=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△t～25 000△t的延时。而AD9500是八位延时芯片只能产生△t～256△t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。

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。

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4～20mA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的工作龟压范围为+1．8～+3．6 V，采用低功耗电压调整器HT7133把AD421输出的+5V电压转换为+33V。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4～20mA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4～20mA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。

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84x48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为单片机的主程序漉程图和程序中液位测量部分的流程图。