專利名稱：高精度低功耗雷達液位儀系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高精度低功耗雷達測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)涵蓋了數(shù)字信號處理、微波收發(fā)系統(tǒng)、超寬帶信號產(chǎn)生和低功耗解決方案技術領域，利用TDR原理精確測量發(fā) 射脈沖和回波脈沖的時間差，得到目標距離。該系統(tǒng)可應用于石油、水利等高 精度測距領域。二、背景技術雷達液位儀大多數(shù)采用傳統(tǒng)的雷達體制一一線性調(diào)頻連續(xù)波體制，這種體制適用于短距 離大功率測距的場合，不需要復雜的數(shù)字信號處理，結(jié)構(gòu)簡單。目前在國外有一些公司或者 國內(nèi)研究所研制雷達液位儀，如SAAB、 KROHNE和HYControl公司。近年來俄羅斯西姆技術 創(chuàng)新公司研制并生產(chǎn)了一系列采油井測試儀，其中GA 1-1型聲波脈沖發(fā)生器(回聲儀)、 SUD0S微型液位2示功儀、SU2D0S微型井下液位儀、SUD0S組合液位2示功儀和SID2D0S自 動示功儀在油井液面監(jiān)測和抽油泵工作狀況測試等方面得到廣泛的應用和推廣，并在遼河 油田釆油井現(xiàn)場試驗應用成功，該儀器是具有世界先進水平的井下測距儀。雷達液位儀。通常測量的最小距離小于l米，最大的測量距離可達到60米，測量誤差 為小于5mm，分辨率為士O. 1%測量值，提供RS-232和RS — 485接口和計算機通信，有兩次 表顯示，使用的頻率為10GHz，環(huán)境溫度為一20度 50度。在國內(nèi)如北京航天智控工程公司， 也一直致力于雷達液位儀的研究，也有自己的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的性能指標相對于國外的雷達 液位儀來說差距很大，但是國外的產(chǎn)品價格都很貴，對于一般的民用很難達到普及。在這種 背景之下開發(fā)高性能、低價格的雷達液位儀是很有意義的。隨著我國石油化工工業(yè)的發(fā)展，迫切要求將現(xiàn)代化科學技術應用到高壓儲罐的液位測量 中、提高液位測量的精度、測量可靠性及自動化測量水平。當前用于我國液位測量的玻璃板 液位儀、磁翻板液位儀、靜壓液位儀等，其測距精度低、穩(wěn)定性差，功耗大，并且要求定期 維護，超聲波液位儀測距精度低，浮子液位儀技術已經(jīng)老化。而目前進口的雷達價格昂貴， 這給國內(nèi)用戶帶來很大的經(jīng)濟壓力，并且國外的儀表維修困難。綜上所述智能雷達液位儀具 有很高的研究價值。為了增強我國在液位儀領域的技術水平，開發(fā)了智能雷達液位儀，該液 位儀設計先進、性能優(yōu)異，在測距精度、智能化和低功耗方面有所突破，其主要指標達到了 國際同類產(chǎn)品先進水平，可以替代同類進口產(chǎn)品，希望該產(chǎn)品能夠得到廣泛的推廣，為我國石油化工工業(yè)提供先進的測量儀表，為我國國民經(jīng)濟作出貢獻。 三、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于實現(xiàn)一部高精度低功耗液位測距系統(tǒng)，其通信接口兼容工業(yè)標準的 HART協(xié)議，系統(tǒng)功耗符合本質(zhì)安全的工業(yè)標準，能夠應用于石油工業(yè)和水利領域的高精度 液位測量中。為了實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗的要求，本發(fā)明對系統(tǒng)中采用的器件進行低功耗和高性能的優(yōu)選， 對系統(tǒng)的高精度和低功耗要求進行了綜合的考慮，設計了專門的系統(tǒng)控制電路和信號處理機。 該系統(tǒng)由三個模塊組成HART協(xié)議模塊、距離測量模塊和測量線，HART模塊提供了符合 工業(yè)標準的HART協(xié)議的通信和4-20mA的電流輸出信號、與計算機的接口和計算機上的人 機交互軟件，系統(tǒng)采用兩線制的工業(yè)標準，達到了本質(zhì)安全的要求，系統(tǒng)與上位機的通信通 過電源線進行。距離測量模塊完成距離的精確測量和與上位機的通信。該智能雷達液位儀提 供了單纜、雙纜、同軸電纜和喇叭天線四種測距形式。為了達到高精度高分辨率的測距指標，本發(fā)明實現(xiàn)了一種基于階躍恢復二極管和肖特基 二極管產(chǎn)生超寬帶信號的技術方案，超寬帶窄脈沖的寬度小于400pS，幅度為1.5V。超寬帶 信號的產(chǎn)生是智能雷達液位儀的關鍵技術之一，脈沖寬度越窄，測距的精度和分辨率越高， 階躍恢復二極管是窄脈沖產(chǎn)生的核心器件，但階躍恢復二極管產(chǎn)生的窄脈沖波形振鈴比較大， 電路中用肖特基二極管對窄脈沖信號進行整形，整形輸出的信號工整，提高了接收信號的信 噪比。為了實現(xiàn)高精度高分辨率的測距，測距精度為5mm，本發(fā)明實現(xiàn)了一種基于雙DDS的 時間比例放大技術，提出了用雙DDS實現(xiàn)精確定時電路，具體的實現(xiàn)方法是控制兩路DDS 產(chǎn)生頻率差為4Hz和100Hz的兩路高精度時鐘，這兩路DDS采用同樣的時鐘信號，通過預 先設置兩路DDS相位累加器的初始相位并同時觸發(fā)兩路DDS的相位累加器，可以嚴格控制 兩路時鐘的起始相位和頻率差，為時間比例放大技術提供了條件。為了使得系統(tǒng)的功耗符合本質(zhì)安全的工業(yè)標準，本發(fā)明包含系統(tǒng)間隙工作的解決方案， 系統(tǒng)的距離測量周期為80ms，其中l(wèi)ms為系統(tǒng)完全工作時間，該器件電路中所有的模塊都正 常工作，lms工作周期之后，主控器首先關閉除主控器之外的所有模塊，使這些電路進入休 眠狀態(tài)，然后主控器進行數(shù)據(jù)的信號處理和與上位機的通信，主控器處理完任務后進入休眠 狀態(tài)，等待下一次的工作觸發(fā)時鐘，為了實現(xiàn)該功能，對各個模塊都設置了開關電路，控制 各個模塊的工作狀態(tài)。該方案保證整個系統(tǒng)的功耗小于40mW，為此設計了專門的邏輯控制 電路和邏輯時序，在系統(tǒng)間隙工作的情況下，為了不降低測距速度，提出并實現(xiàn)了系統(tǒng)測距 的智能化解決方案，智能化解決方案采用了 DDS的頻率高分辨率技術和相位的數(shù)字可控技 術，分兩步完成一次完整的距離測量，第一歩在相對小的時間比例放大系數(shù)下對目標進行搜索，第二步在大的時間比例放大系數(shù)下對目標進行精確的測量。采用智能化測距方案使系統(tǒng) 的測距速度提高了17倍，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。四

下面參照附圖詳細地說明本發(fā)明，其中圖1高精度低功耗雷達液位儀系統(tǒng)整體框圖 圖2 HART協(xié)議通信信號圖3高精度低功耗雷達液位儀Hart模塊實現(xiàn)框圖 圖4通信中斷接收/發(fā)送信息程序框圖 圖5測量板原理框6頻率差為100Hz和4Hz兩路時鐘信號的實現(xiàn)框7頻率為1.000119Hz時鐘信號的頻譜圖8頻率為1.000219Hz時鐘信號的頻譜圖9頻率為1.000123Hz時鐘信號的頻譜圖10窄脈沖產(chǎn)生電路和脈沖整形電路圖11窄脈沖實測波形圖12低通濾波器電路原理13低通濾波器S21曲線圖14直流不為零的兩種情況波形的倒相圖15直流校正電路和負脈沖倒相原理16直流校正電路輸入信號圖17直流校正電路輸出信號圖18負脈沖倒相輸出信號圖19控制信號時序20兩次采樣位置圖21精確測量階段發(fā)射脈沖和回波脈沖的時間間隔組成 圖22系統(tǒng)程序流程23高精度低功耗雷達液位儀系統(tǒng)串口設置界面 圖24高精度低功耗雷達液位儀系統(tǒng)主界面 圖25上位機軟件流程五具體實施方式
5.1低功耗高精度雷達液位儀系統(tǒng)實現(xiàn)方案本系統(tǒng)用于石油工業(yè)和水利領域，由于系統(tǒng)要安裝在油罐中，為了達到本質(zhì)安全的工業(yè) 標準，對系統(tǒng)的功耗提出了苛刻的要求，系統(tǒng)的功耗必須小于40mW，同時系統(tǒng)需要達到的 精度非常高。為了滿足這兩個要求，采用了如下的措施盡量選用低功耗的器件；采用專門 的系統(tǒng)控制和信號處理機制。下面將逐一介紹。低功耗高精度雷達液位儀系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)如 圖1所示，此系統(tǒng)分成三部分:HART板1 、測量板2和測量線3，其中HART板完成MSP430F449 控制器與上位機4的通信、4-20mA電流的產(chǎn)生、電源的電壓的轉(zhuǎn)換；測量板完成距離的測量， 并實時地通過HART板同上位機進行數(shù)據(jù)通信，測量板由主控器30、精確時鐘產(chǎn)生17 (詳 見圖6)、脈沖產(chǎn)生和整形18 (詳見圖IO)、環(huán)型器31、模擬相乘器13、濾波放大27 (詳見 圖12)、直流校正和負脈沖倒相28 (詳見圖15)和AD電路29組成；測量線包括與測量板 之間的機械接口、法蘭或者電纜。系統(tǒng)各部分實現(xiàn)方案將在后面作具體的介紹。系統(tǒng)技術指標為-1、 最大測量距離范圍40m上限死區(qū)<250mm 下限死區(qū)<150mm2、 分辨率lmm3、 測量誤差《士5mm4、 重復性±1誦5、 通訊RS-485/RS-232和HART通訊協(xié)議6、 電流輸出2線制4一20mA，隔離負載、最大至750Q7、 電源DC18V至36V8、 阻尼時間0 40S9、 環(huán)境溫度一40 60。C10、 環(huán)境濕度100%RH11、 介質(zhì)特性 介電常數(shù)1.4 100 溫度《200 。C 壓力《4Mpa 能適應泡沫、蒸汽、粉塵12、 天線，桿式或纜式，導向纜最大張力5KN13、 機械特性 外殼鑄鋁"螺紋或DN50, PN40發(fā)蘭 電纜出口 M20X1.5防護IP6714、 防爆等級ialICT3-T6或dlICT3-T615、 可在現(xiàn)場設置修改零位、量程、容量、上限、下限、阻尼、站點、密碼等16、 具有自控功能、低成本7000/臺以下5.2 HART通信實現(xiàn)方案HART(Highway Addressable Remote Transducer),可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議。HART協(xié)議采用在4-20mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號迸行雙向數(shù)字通訊，而不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。HART協(xié)議參考ISO/OSI(開放系統(tǒng)互連模型)，采用了它的簡化三層模型結(jié)構(gòu)，即第一 層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應用層。物理層規(guī)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)，為了實現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通信同時進行而又 互不干擾，HART協(xié)議采用頻移鍵控技術FSK，即在4-20mA模擬信號上迭加一個頻率信號， 頻率信號采用Bel1202國際標準，數(shù)字信號的傳送波特率設定為1200bps， 1200Hz代表邏輯 "0"， 2200Hz代表邏輯"1"，信號幅值0.5A,如圖2所示。在一個信號周期內(nèi)，F(xiàn)SK信號 均值為0，所以進行數(shù)字通信并不影響4-20mA模擬信號。由于FSK信號平均值為零，對模 擬信號不會產(chǎn)生任何影響。通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長短而定。通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時，最大傳 輸距離可達到1500m。線路總阻抗應在230-1100Q之間。數(shù)據(jù)鏈路層按照HART協(xié)議建立 了 HART信息格式。應用層用于實現(xiàn)HART指令。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了 HART幀的格式，實現(xiàn)建立、維護、終結(jié)鏈路通訊功能，HART協(xié)議 根據(jù)冗余檢錯碼信息，采用自動重復請求發(fā)送機制，消除由于線路噪音或其它干擾引起的數(shù) 據(jù)通訊出錯，實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送。智能雷達液位儀的HART協(xié)議部分主要完成數(shù)字到電流的轉(zhuǎn)換，通過單片機中的電流與 液位對應關系的設置，實現(xiàn)液位的最后輸出。圖3是智能雷達液位儀HART協(xié)議部分原理框 圖，MSP430F449與A5191HRT之間的控制線包括數(shù)據(jù)接收5、數(shù)據(jù)發(fā)送中斷6和數(shù)據(jù)發(fā)射7。HART通信部分主要由D/A轉(zhuǎn)換和BeII202 MODEM及其附屬電路來實現(xiàn)。HART通信 單元檢測到疊加在4-20mA環(huán)路上的FSK頻移鍵控信號以后，由Bel1202 MODEM將1200Hz 的信號解調(diào)為"1"， 2200Hz信號解調(diào)為"0"，交由微處理器處理。同樣，微處理器發(fā)出的數(shù)字通信信號由MODEM調(diào)制成相應的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號，疊加在環(huán)路 上發(fā)出。HART通信采用的是半雙工的方式。硬件設計的關鍵在于解決低功耗問題，系統(tǒng)均 采用低功耗器件。 '由于HART數(shù)字通信的要求，有0.5mA的正弦波電流信號疊加在4mA電流上，因此整 個硬件電路必須保證在3.5mA以下還能正常工作。因此微處理器需采用低功耗的單片機 (MSP430F449)來實現(xiàn)，并用最低電壓供電。D/A轉(zhuǎn)換采用AD421，它是美國ADI公司推出的一種單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由環(huán)路供 電，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，4-20mA電流輸出。它提供了高精度、全集成、低功耗 的解決方案，采用16引腳DIP、 TSSOP、 SOIC封裝，可實現(xiàn)低成本的遠程智能工業(yè)控制。 AD421包括串行輸入16位D/A(數(shù)字/電流)轉(zhuǎn)換，除自身用電外，還提供可選擇的(5V， 3 .3 V或3V)穩(wěn)壓輸出供變送器其它部分用電。HART MODEM采用Amis公司生產(chǎn)的HT2015，實現(xiàn)HART協(xié)議規(guī)定的數(shù)字通信的編 碼或譯碼。該芯片專為HART儀器設計，片內(nèi)集成了符合BELL202標準的調(diào)制器、解調(diào)器、 時鐘及定時電路、檢測控制電路。性價比較高，16腳DIP封裝，在+5V供電時工作電流80 li A。 A5191HRT與微控制器交換數(shù)字信號，同AD421作模擬信號接口 。軟件部分的流程圖 如圖4所示。與傳統(tǒng)方案相比，該系統(tǒng)具有可靠性較高、實時性較強、成本較低等優(yōu)點。5.3測量板實現(xiàn)方案測量板完成距離的測量、系統(tǒng)的控制和與上位機的控制，PCB的面積為114cmX7cm， 原理如圖5所示，其中模擬乘法器13應用Hittite公司的HMC207S8。測量板由HART板供電，為了節(jié)省電流，系統(tǒng)供電電壓為3v和一3v，在能達到系統(tǒng)性 能的前提下，測量板中的器件都選用低功耗的器件，有一些為超低功耗器件。如系統(tǒng)中選用 了超低功耗的MCU: MSP430F449，在lMHz的工作時鐘下，2.2v電源供電時電流為280uA， 在5MHz的工作時鐘下，2.2v電源供電時電流為lmA，最低工作電壓為1.8v。系統(tǒng)中的正電 源模塊選用的是Linear Technology公司的LT1763 LDO，其靜態(tài)工作電流是20uA，最大輸出 電流是500mA，負電源模塊選用的是Linear Technology公司的LT1617開關調(diào)制器，其靜態(tài) 工作電流是20uA，最大輸出電流是300mA。時鐘產(chǎn)生器件選用的是AD公司的低功耗 AD9834,該芯片25MHz的工作時鐘下電流為4mA，在休眠狀態(tài)下電流為10uA。系統(tǒng)中運 算放大器也是選用的最低功耗的系列。系統(tǒng)除了圖6中畫出了的基本電路之外，為了降低功 耗，系統(tǒng)間隙得工作，即系統(tǒng)在一個測量周期內(nèi)，工作時間之占測量周期的一小部分，在剩 下的時間內(nèi)MSP430F449關閉其他器件。接下來將介紹系統(tǒng)中的部分電路及系統(tǒng)的工作狀態(tài)。5. 3. 1 用雙AD9834實現(xiàn)頻率差為100Hz和4Hz兩路時鐘DDS有很高的頻率分辨率，用DDS實現(xiàn)頻率差為100Hz和4Hz的兩路時鐘是最合適的方 法。系統(tǒng)中要求兩路時鐘的頻率差為嚴格的100Hz和4Hz， 100Hz和4Hz頻率差的精確度直 接影響測量的精度，為了實現(xiàn)這個指標，兩路DDS采用相同的參考時鐘5MHz，保證4Hz和 100Hz的頻率差，實現(xiàn)框圖如圖6所示。MCU控制兩路DDS的頻率、相位差和參考時鐘。當AD9834不工作的時間段內(nèi)可以把時 鐘和DDS關閉，從而節(jié)省了功耗。兩路DDS輸出頻率的相對相位也可以通過控制兩路DDS的 參考時鐘和DDS得以實現(xiàn)，這給系統(tǒng)的智能化控制和低功耗解決方案提供了有力的保證。根據(jù)圖6的框圖設計頻率差為4Hz和100Hz的兩路時鐘，頻率控制字和狀態(tài)控制字由 MSP430F449 RESET之后輸給AD9834。圖中的濾波器采用低通Chebyshev形式。指標如下1 通帶0 1.2MHz; 2帶內(nèi)衰減小于0.3dB; 3頻率大于2MHz時的衰減大于60dB。在目標搜索階段MSP430F449控制兩路AD9834輸出頻率差為100Hz的兩路時鐘信號， AD9834存2產(chǎn)生的時鐘信號9的頻譜如圖7所示，AD9834射產(chǎn)生的時鐘信號8的頻譜如圖8所示。在距離精確測量階段MSP430F449控制兩路AD9834輸出頻率差為4Hz的兩路時鐘信 號，AD9834#2產(chǎn)生的時鐘信號9的頻譜如圖7所示，AD9834釘產(chǎn)生的時鐘信號8的頻譜如 圖9所示。5.3.2脈沖產(chǎn)生電路和脈沖整形電路方波放大和脈沖產(chǎn)生電路如圖IO所示，三極型晶體管2SC3356將輸入方波進行放大， 電路中SRD選用M-Pulse公司的mp4023， SRD是產(chǎn)生超寬帶窄脈沖的關鍵器件，SRD具有 很強的非線性電容特性，SRD在正向?qū)〞r，n型層內(nèi)會存儲大量的少子，當SRD進入反向 導通時，SRD并不馬上截止，而是當n層內(nèi)的電荷全部被抽出后進入截止狀態(tài)，反向電流突 然降得特別低，使得二極管截止，這樣就形成了階躍電壓。在電路中很關鍵的元件是L,和L;， 這兩個電感起到諧振和激勵的作用，根據(jù)作者的經(jīng)驗，當改變電感值的時候要相應的改變直 流偏壓或者激勵脈沖的幅度，同時會影響到脈沖的寬度和幅度，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，當增大 L,，則必須減小直流偏置電壓，所產(chǎn)生脈沖的幅度會增加，脈沖寬度變寬；當增大L^值，則 必須增加直流偏置電壓，所產(chǎn)生脈沖的幅度增加，脈沖寬度變寬。所以如果要使脈沖的寬度 變窄，必須減小L,和L2的值，但是在同樣的脈沖情況下減小L,和L2會使得輸出脈沖的幅度 減小，這是矛盾的，在電路設計的時候要折中的考慮這個問題。脈沖產(chǎn)生電路的激勵信號11為3.3V的時鐘信號，該時鐘信號是AD9834產(chǎn)生的時鐘信 號經(jīng)過整形電路產(chǎn)生的，但階躍恢復二極管產(chǎn)生的窄脈沖波形18振鈴比較大，電路中采用了 肖特基二極管對窄脈沖信號進行整形，整形輸出的信號12比較工整，提高了接收信號的信噪選用Avago公司的hsms2820，整形輸出的信號12如圖11所示，脈沖寬度 為400ps，脈沖幅度為1.5V。5.3.3濾波放大電路系統(tǒng)模擬相乘器13的輸出信號14有高頻信息和低頻信息，為了提取模擬相乘器輸出的 包絡信息，需要濾除高頻部分的信號，同時因為模擬相乘器輸出14的低頻信號功率很小，所 以還需要對低頻信號進行放大，為了同時達到這兩個目的，選用了有源濾波的方式，OPA選 用AD的超低功耗運算放大器OP90，其輸入偏移電壓(V。s)為50uV，輸入偏移電流(I。s ) 為0.4nA，工作電壓范圍為1.6 — 36v，輸出最大驅(qū)動電流大于5mA，開環(huán)增益700V/mV，共 模抑制(CMR) 110dB，輸入噪聲電壓3nVpi，電源抑制率(PSRR) 10pV/V。仿真電路如 圖12所示，設置有源濾波器的帶寬為6KHz，通帶內(nèi)的增益為30dB (S21)，首先計算各個元 件值，然后將計算出的元件值改為標準值，設置各個元件的容差，并進行軟件調(diào)試，直到各 元件在一定的容差范圍內(nèi)濾波器的的特性曲線基本不變。仿真結(jié)果的S21曲線如圖13所示， 模擬相乘器輸出的信號頻譜中在lMHz及其諧波的附近處有較大的分量，我們來看看此低通 濾波器lMHz頻率處的抑制度，在頻率lMHz處濾波器的衰減為42dB，加上在通帶內(nèi)30dB 的增益，在lMHz處濾波器的抑制度為72dB，濾波器在lMHz諧波除的抑制度隨著頻率的增 加而增加。OP90在土3V電源驅(qū)動下，輸入幅度范圍為-1.5V 1.5V，輸出幅度范圍為 -2.5V~2.5V，能滿足信號幅度的要求。模擬相乘其輸出信號經(jīng)過兩級放大和濾波之后，包絡 信號15的幅度將達到3V，基本上達到了 AD輸入滿度的要求，包絡負脈沖需要進行倒相， 并且根據(jù)負脈沖的幅度要進行適當?shù)姆糯蟆?.3.4直流校正和負脈沖倒相電路濾波器的輸出信號在進行倒相和放大之前，需要對直流進行校正，倒相電路將負半軸的 信號倒相至正半軸，如果濾波器輸出信號直流部分不為零，那么倒相就會導致錯誤，如圖14 所示的兩種情況，其中虛線為負半軸倒相之后的波形，左圖為直流大于零的情況，經(jīng)過倒相 電路只倒相了部分脈沖，圖14的右邊部分為直流小于零的情況，經(jīng)過倒相電路后負脈沖和部 分正脈沖都被倒相了，這兩種情況都會導致倒相的錯誤，所以在負脈沖倒相之前要將信號的 直流電壓校正至零。直流校正的電路如圖15所示，校正電路中運算放大器選用AD公司的0P90， 對于理想的運算放大器可以得到如下的方程，V — V51(RS + R9) - VdcR8 (1)其中^為直流校正之前的信號，由兩個脈沖源(SRC3和SRC4)模擬，Vw為直流校正輸出， R8、 119為圖中所示電阻，當R,25K， R9 = 1001Ut VI9 = 1.25VI5 - 0.25Vde ，即118的電壓經(jīng)10過了直流偏移，偏移量為-0.25Vde，所以在電路中可以通過調(diào)整Vde的值來調(diào)整輸入信號的直流。為了在軟件中可以實時的調(diào)節(jié)直流偏移量，選用DA芯片來提供Vde，系統(tǒng)根據(jù)被測曲線的數(shù)據(jù)，控制DA的輸出值，從而改變直流量。直流校正電路輸入信號15如圖16所示；直流校正電路輸出信號19如圖17所示；負脈沖倒相輸出信號16如圖18所示。圖中％5為直流校正前的信號，直流分量為1V，當Vd,5.1V時，輸出信號V,9的直流為0。如圖中的V,e，正脈沖的幅度和波形形狀都沒有發(fā)生改變，幅度為1.5V，負脈沖被倒相至正半軸，波形的形狀也沒有發(fā)生變化，只是幅度發(fā)生了變化，在圖15中，R,3決定負脈沖的幅度放大的倍數(shù)，R,3的值越小負脈沖放大的倍數(shù)越大，所以可以通過改變Rn的值設置不同的負脈沖增益系數(shù)。為了能實時地控制負脈沖幅度的增益系數(shù)，系統(tǒng)中選用了 MAXIM公司的MAX5429數(shù)字電位器，MSP430F449根據(jù)回波信號的幅度實時調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的值，從而將回波信號的幅度調(diào)節(jié)到適當?shù)闹?。MAX5429最大電阻值為IOK，可以設置32個不同的電阻值，相應的有32個不同的負脈沖增益系數(shù)。 5.3.5系統(tǒng)低功耗、高精度實現(xiàn)方案系統(tǒng)的工作流程由MSP430F449控制，MSP430F449低功耗單片機采用16位的RISC(精簡指令集)結(jié)構(gòu)，指令周期可達到125ns，提供5種低功耗模式，內(nèi)建64KByte flash程序空間和2K Byte RAM空間，系統(tǒng)可工作的最大時鐘為7.5MHz，為了給系統(tǒng)正常工作留有余量，設置系統(tǒng)的工作時鐘為5MHz，如下表所示，系統(tǒng)時鐘為lMHz時的工作電流為420uA，系統(tǒng)休眠時的電流為O.luA，經(jīng)測試當系統(tǒng)時鐘為5MHz時工作電流僅為lmA。系統(tǒng)復位后，MSP430F449首先對電路進行初始化，包括兩個計數(shù)器的設置和中斷的設置、兩路DDS的設置、AD的設置、HART板的設置。MSP430F449內(nèi)部有計數(shù)器A和計數(shù)器B，計數(shù)器A設置為時鐘AD的采樣時鐘，計數(shù)器A的時鐘為200KHz，計數(shù)器B用于控制系統(tǒng)的狀態(tài)，計數(shù)器B的時鐘為25KHz。要完成一次完整的測量需要進行兩歩分過程 目標搜索當初始化設置后，開計數(shù)器B，計數(shù)器B有7個比較器，所以最多可提供有7周期相同、 脈沖寬度可調(diào)的周期信號，系統(tǒng)用到了4個比較器，其中一個比較器用于設置中斷源，這四 個比較器輸出的時序如圖19所示，系統(tǒng)工作的重復周期為40ms,圖19中TB1用于產(chǎn)生中斷 時序，在tl時刻產(chǎn)生一個中斷，此中斷將MSP430F449從休眠中喚醒，MSP430F449被喚醒后 相繼做如下的工作a設置產(chǎn)生參考時鐘AD9834和產(chǎn)生窄脈沖時鐘AD9834的相位為0，設置參考時鐘AD9834 的頻率為lMHz，設置產(chǎn)生窄脈沖時鐘AD9834的頻率為lMHz+100Hz，并激活兩路AD9834。 b激活TA。c關閉HART中斷允許。 d開TB1中斷允許。為AD7813的采樣時鐘。TA的時序如圖19中所示。MSP430F449 循環(huán)査詢AD7813的BUSY位，當AD7813的BUSY位為低時，表明上次的AD采樣己經(jīng)結(jié)束，則 MSP430F449退出循環(huán)，讀取AD采樣數(shù)據(jù)并先保存到MSP430F449的內(nèi)部RAM中。MSP430F449 連續(xù)讀取AD采樣數(shù)據(jù)，直到t2時刻TBl發(fā)生中斷2，在執(zhí)行中斷2服務程序中，MSP430F449 完成如下的任務a 關閉AD9834b關閉TAc修改堆棧指針，將堆棧指針提前一位，并且將返回指針對應的值指向主程序。因為此 時中斷l(xiāng)服務程序還沒有退出，原先中斷2的返回地址指向中斷1服務程序中的地址。 d開TB1中斷允許當程序完成如上所列的四個工作之后返回到主程序中，在主程序中，MSP430F449記錄此 次的工作進程，下一次中斷產(chǎn)生時服務程序根據(jù)此記錄的工作進程來決定下一次的工作進程。 MSP430F449將進入休眠狀態(tài)，在進入休眠狀態(tài)之前開HART板中斷允許。說明一點，系統(tǒng)中 的模擬電路、窄脈沖產(chǎn)生電路、AD9834時鐘電路和AD7813的激活和休眠狀態(tài)由圖19中的TB2、 TB3和TB4控制，不需要軟件控制。完成一次目標搜索需要兩個TB周期，在第二個TB周期 中的程序在中斷2之前和第一個TB周期基本一樣，所不同的是要設置產(chǎn)生參考時鐘AD9834 的相位為36。。 AD采樣數(shù)據(jù)保存到第一次AD采樣數(shù)據(jù)之后。在執(zhí)行中斷2服務程序時同樣要 記錄執(zhí)行進程。結(jié)合上一個TB周期內(nèi)的AD采樣數(shù)據(jù)，粗略地査找目標的位置。發(fā)射脈沖的 頻率為lMHz+100Hz，參考脈沖的頻率為lMHz，根據(jù)上一章的分析，時間比例放大系數(shù) k = 10001,系統(tǒng)最大測量距離為30m，則發(fā)射脈沖和接收脈沖最大時間間隔為200ns，經(jīng)過 時間比例放大后，最大時間間隔為2.0001ms,所以只要兩個采樣周期就可以把目標可能出現(xiàn) 的位置都記錄下來，如圖20所示。根據(jù)兩次記錄的數(shù)據(jù)判斷有無目標，以及目標出現(xiàn)的位置， 記錄兩種可能無目標；有目標，記錄目標出現(xiàn)的位置、目標回波的幅度，將目標和發(fā)射脈 沖的時間間隔換算成相位。在下一個TB周期，MSP430F449判斷有無目標，如果有目標則進 入精確測量，如果沒有目標則進入目標搜索。MSP430F449進入休眠之前開HART板的中斷 允許。 精確測量目標搜索可以確定回波目標的大概位置，時間比例放大倍數(shù)為10001倍，因為AD采樣的速度僅為200KHz，在此采樣速率下時間的分辨率為250ps，相應的距離分辨率為7. 5cm，則遠達不到系統(tǒng)的指標，所以要進行進一步更精確的測量。系統(tǒng)進入精確測量階段后，MSP430F449根據(jù)目標搜索階段中記錄的目標相位值，設置產(chǎn)生參考時鐘AD9834的相位e ，設置產(chǎn)生參考時鐘AD9834的頻率為lMHz+4Hz，設置產(chǎn)生脈沖時鐘AD9834的頻率為lMHz，根據(jù)目標搜索階段記錄的目標回波的幅度設置負脈沖放大系數(shù)。此時時間比例放大系數(shù)k = 250001。其他的程序和目標搜索的程序一樣?；夭}沖和發(fā)射脈沖之間的時間差分為兩 部分，如圖21所示，第一部分為,p此部分于參考時鐘AD9834的初始相位直接相關，^由下 面的公式得到。式中，f,為發(fā)射脈沖的時鐘頻率，k為時間比例放大系數(shù)。在目標搜索階段回波目標的位置己經(jīng)基本確定，這可以確保在精確測量階段在lms的采樣區(qū)間內(nèi)包含了回波目標如圖21所示，回波脈沖和發(fā)射脈沖之間的時間差的第二部分為At， At由lms時間內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)得到。發(fā)射脈沖與回波脈沖經(jīng)時間比例放大之后的時間間隔為t, + At ，發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間間隔為ti + At9At /0、t2 = ~!- = - + — (3)k 360f, k在精確測量階段下，k = 250001，在200KHz采樣時鐘下，時間的分辨率為20ps，相應的距離 分辨率為3mm。 MSP430F449完成距離的計算之后，把距離值送給HART板，HART板這個值設 置相應的電流值，保存測量值，保存測量進程，以便在下一個TB周期進入下一輪的測量。 MSP430F449在進入休眠狀態(tài)前開HART板的中斷允許。到此為止一次完整的測量結(jié)束。當下 一個TB周期中又進入目標的搜索，以此循環(huán)，系統(tǒng)的測量值可以跟蹤液位的慢速變化。 系統(tǒng)的程序流程圖如圖22所示。5.4上位機軟件說明運行上位機軟件首先進入串口設置界面，如圖23所示。從下拉式子菜單中選擇網(wǎng)關的 串口號20。點擊OK按鈕進入智能雷達液位儀系統(tǒng)主界面，點擊Cancel按鈕退出雷達智能液 位儀系統(tǒng)。5.4.1智能雷達液位儀系統(tǒng)主界面設置完串口號后，點擊OK按鈕進入智能雷達液位儀系統(tǒng)主界面，如圖24所示。主界面 主要由下面幾個部分組成菜單項21; 4-20mA電流輸出區(qū)域22;空高液位顯示區(qū)域25;空 高液位值顯示區(qū)域23;進入其他界面的按鈕24;信息顯示26。從圖24可以進入設置界面、 波形顯示界面和歷史曲線界面。點擊圖24主菜單的設置(X)項或者圖24左下角的設置按鈕 可以進入設置界面。5.4.2上位機軟件流程圖上位機軟件的流程如圖25所示。
權(quán)利要求
1. 一種高精度低功耗的雷達測距系統(tǒng)，包括Hart模塊、測量模塊和測量線，用于測量液位的高度，系統(tǒng)利用TDR原理檢測發(fā)射脈沖和回波脈沖的時間差，從而得到目標距離，其特征在于，測距精度為5mm，在功耗上符合本質(zhì)安全的工業(yè)標準，設計了專門的邏輯控制電路和邏輯時序，實現(xiàn)了系統(tǒng)間隙工作的解決方案，保證整個系統(tǒng)的功耗小于40mW，在系統(tǒng)間隙工作的情況下，系統(tǒng)的距離測量周期為80ms，其中1ms為系統(tǒng)完全工作時間，該期間電路中所有的模塊都正常工作，1ms工作周期之后，主控器首先關閉除主控器之外的所有模塊，使這些電路進入休眠狀態(tài)，然后主控器進行數(shù)據(jù)的信號處理和與上位機的通信，主控器處理完任務后進入休眠狀態(tài)，等待下一次的工作觸發(fā)時鐘。
2 如權(quán)利要求1所述的高精度低功耗的雷達測距系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)利用了超寬帶 窄脈沖信號實現(xiàn)了測距的高分辨率，分辨率為lmm，超寬帶窄脈沖信號的產(chǎn)生基于階躍 恢復二極管很強的非線性電容特性，設計了專門的窄脈沖產(chǎn)生電路和脈沖整形電路，利 用肖特基二極管對窄脈沖信號進行整形，所實現(xiàn)的脈沖寬度為400ps，脈沖幅度為1.5V。
3. 如權(quán)利要求1所述的高精度低功耗的雷達測距系統(tǒng)，其特征在于，用雙DDS產(chǎn)生頻率 差為4Hz和100Hz的兩路高精度時鐘， 一路是發(fā)射信號，另外一路是本振信號，這兩 路時鐘的起始相位可嚴格控制，這為時間比例放大技術提供了條件。當系統(tǒng)工作在目標 搜索階段，DDS產(chǎn)生兩路時鐘的頻率分別為1.000119MHz和L000219MHz;當系統(tǒng)工 作在精確測量階段，DDS產(chǎn)生的兩路時鐘的頻率分別為1.000119MHz和L000123MHz。 利用DDS產(chǎn)生的兩路時鐘將回波信號進行時間放大，采用模擬相乘的方法實現(xiàn)時間比 例放大，將發(fā)射脈沖和回波脈沖之間的時間按照原先設計好的系數(shù)進行放大，這種技術 將高速的脈沖進行時間軸放大，使得低速的系統(tǒng)可以對時間比例放大之后的波形進行處 理，這種方法即降低了系統(tǒng)的功耗，又可以保證系統(tǒng)的高精度要求。
4. 如權(quán)利要求1和權(quán)利要求3所述的高精度低功耗的雷達測距系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)設 計了智能化的測距方案，采用了DDS的頻率高分辨率技術和相位的數(shù)字可控技術，為 完成一次距離測量，分兩步完成，第一步在相對小的時間比例放大系數(shù)下對目標進行搜 索，目標搜索階段降低了測距精度，但是大大提高了搜索的速度，縮短了搜索時間，第 二步在大的時間比例放大系數(shù)下對目標進行精確的測量。采用智能化測距方案使系統(tǒng)的 測距速度提高了17倍，大大提高了系統(tǒng)效率。
全文摘要
本發(fā)明涉及高精度低功耗雷達測距技術領域，包括Hart模塊、測量模塊和測量線，系統(tǒng)的測距基于TDR原理，系統(tǒng)利用雙DDS產(chǎn)生兩路精確定時時鐘，實現(xiàn)回波脈沖的時間比例放大，測距精度為5mm；超寬帶窄脈沖信號實現(xiàn)了測距的高分辨率，分辨率為1mm；系統(tǒng)的間隙工作方案大大降低了功耗，功耗為40mW，符合本質(zhì)安全的工業(yè)標準。
文檔編號H03K5/01GK101281052SQ20071006505
公開日2008年10月8日 申請日期2007年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月2日
發(fā)明者周建明 申請人:周建明