采用MSP430F149單片lit的導波雷達液位計設計

導波雷達液位計是一種利用電磁波的傳播來實現液位測量的儀表，是基于時域反射原理，采用接觸式的測量方法發射脈沖信號來實現液位測量的。導波雷達液位計概述

導波式雷達液位計是把一根或兩根導波桿從罐頂伸入、桿末端與罐底有一定距離，通過導波桿發射和接收信號。它也采用發射脈沖信號來進行測量，其回波信號的幅值大小主要取決于被測液體的介電常數，由于采用了導波桿結構作為傳輸的介質，信號損耗小、能量比較集中，從而回波信號質量更好。它還具有方向性好，穿透性好的優點。

系統總體設計

根據系統要求，本設計采用脈沖時域展寬電路進行信號處理，如圖1所示，在收發電路的硬件電路上增加脈沖時域展寬電路，主要是實現回波信號在時間軸上把信號放大K倍。放大后的信號變換成毫秒級信號，就可以使用比較器比較出來，再用單片機進行信號的捕獲。

系統采用分塊化的設計方法，分別把各部分具體化實現，最后達成一個高效的系統。導波雷達液位計結構組成如圖2所示，包括：電源電路、LCD顯示電路、鍵盤電路、電源監控電路、外存儲器電路、單片機及外圍電路、信號測量電路、信號變換電路、脈沖收發電路、信號調制電路、通訊模塊電路和機械部分。

導波雷達液位計工作過程

根據不同的測量環境，導波雷達液位計在工作之前，通過鍵盤設定一些測量需要的參數，以便能準確地測量出不同使用條件的液位。

系統的工作過程是：首先由單片機產生一個460kHz的周期性信號和輸出占空比為30%且周期同為100ms的PWM信號，同時定時器開始計數。這幾個信號通過信號變換電路來產生模擬電壓信號，送給前端高頻部分進行窄脈沖生成和發送，在經過液位的發射以后，依據時域反射原理，產生相應的回波，被同一發射板接收回來?；夭ㄐ盘柦涍^脈沖時域展寬電路和低噪聲放大處理。通過設定一定的同軸電纜長度，回波信號中的頂部回波可以被去掉，只剩下實際要處理的真實液位回波信號，這個液位回波信號將被送入信號調理模塊處理。液位回波信號經過可變增益放大后，放大至固定峰值電壓的信號，再送給比較器比較，比較出液位回波的時刻。操作員可以通過單片機捕獲導波雷達液位計測量的液位回波時刻。由此，計算出窄脈沖的傳播距離及液位。依此不斷循環，每秒計算10次均值液位量，得到一個穩定的顯示效果。根據罐體的設定，可以得到罐體的高度，進而得到罐體內介質的體積等。

硬件電路設計

電源電路設計

根據導波雷達液位計使用工況的要求，系統使用+24V直流來供電，系統電源電路如圖3所示。系統電源電路使用AD421芯片，AD421是一種可以產生4～20mA電流輸出的DAC。導波雷達液位計使用它實現回路供電，還為整個系統和其他電路的芯片等提供工作電源和相應的參考電源。

系統把AD421芯片的幾個引腳的輸出作為電源，使用它輸出+5V作為電源電壓輸出及產生+1.25V和+2.5V作為參考電壓。圖中AD421在J1接口處引入+24V直流電源，外圍組成一個電流回路，電流的大小由AD421幾個控制端來控制。單片機通過三個I/O口來控制AD421的電流輸出。圖3中的Q1為一個場效應管。圖中第8腳LOOP和T1組成了電流環回路，從中能檢測出輸出的電流值。

同時，單片機穩定工作還需+1.8v到+3.6V的電源電壓，所以要把上述得到的+5V電源轉換到這個范圍內（通常為+3.3V）。本文采用HT7133芯片進行電源轉換。HT7133是一種功耗很低的輸出電壓為3.3V的電壓調節器，它只有3個端口，在其輸入端之前采用二極管進行過流保護。

信號變換電路設計

導波雷達液位計的單片機發出的控制信號必須通過信號變換變成相應的模擬信號，才能進行信號調制、功率放大以及收發電路再送至機械部分的同軸導波桿上傳輸。根據要求，系統由計數器電路和DAC電路依次組成信號變換電路。

計數器電路設計

計數器部分的作用是把單片機輸出的串行數據分頻變成12位并行數據。信號變換的計數器電路如圖4所示。所選芯片是74HC4040M，它是一種12位的二進制紋波計數器。作為時鐘的輸入端口，MR則是它的實現異步主復位功能的輸入端口和QO～Q11為計數器的12個并行的輸出端口。在此選用了兩個計數器，第一個計數器是把PWMO信號（460K信號）進行8分頻，第二個計數器再對8分頻后的信號依次進行2分頻后再分12位進行輸出。

對于圖中的每一路輸出，如果MR是低電平，則每逢處于下降沿，相應的輸出引腳就產生一個高電平信號，這樣Qo～Q11的輸出就進行了計數：而當MR處于高電平時，不管是什么值，所有計數輸出都為低電平。12路計數輸出的頻率是依次2分頻得來的。

圖中的74HC4040M的輸入信號PWM0和PWM1信號是單片機產生的周期性脈寬調制信號，分別為460k信號和周期100ms占空比30%的信號。第一個計數器首先把PWMO信號進行8分頻產生一個輸出送到第2個計數器作為，再把這個分頻后的信號再進行分頻計數，進而得到12路并行的周期性計數信號（A0—A11），再送給12位TDAC轉換為模擬信號。將PWMl作為第2個計數器的MR，可以來控制各路只有在高電平的30ms內有輸出，得到的信號送至DAC進行轉換。

DAC電路設計

DAC電路將計數器電路生成的12路并行計數信號進行轉換，并產生對應的模擬電壓信號。DAC電路如圖5所示。

DAC選用一種速度很快的12位D/A芯片AD7945。AD7945使用+5V單電源供電，其功耗可以小至5μw。AD7945的輸入是計數器產生的12路并行信號，可以從0計數到2048。第1個引腳IOUTl產生的是轉換后對應的電流輸出，需再經過一個運算放大器以后，才變成對應的模擬電壓信號。

導波雷達液位計受介電常數和桿長等影響，信號在導波桿上的衰減程度不同，因此需對信號幅值大小進行調節。為了使輸出信號的幅值足夠其在桿上有效傳播并接收，系統采用單片機控制這個幅值的大小變化。圖5中的VREF就能起此作用，單片機通過I/o端口對數字電位計的值調節，就能實現調節輸出電壓VOUT的幅值，進而調節前端信號調制后輸出到導波桿的信號幅值。在被測液體介電常數小的時候，需加大VREF的值，反之則減小VREF的值。

信號測量電路設計

信號測量電路設計包括可變增益放大器電路、信號比較器電路和數字電位計電路等。

可變增益放大器電路設計

在進行液位測量時，導波雷達液位計收發電路發射的脈沖信號的幅值是一個固定值。而從介質液面反射的回波信號幅值不固定，其幅值大小受介電常數、導波桿的結構、桿長等因素影響。

針對不同的使用工況，需要把回波信號在垂直方向上放大處理，用放大器的增益來補償電纜產生衰減引起的變化，對信號的幅值進行調節，便于后續的信號比較電路進行比較?？勺冊鲆娣糯箅娐啡鐖D6所示，設計采用運算放大器AD8554，它是一種四路零漂移的低噪聲放大器，失調電壓極低（僅為lμV）、零輸入失調電壓漂移以及極小偏置電流。

圖6中的INPUT信號即為收發電路板輸入到信號調理電路的液位回波信號，PWMl為單片機輸出的周期100ms占空比30%的脈寬調制信號，用于控制信號選取的時序信號。

可變增益放大電路的工作原理是單片機通過操作一路數字電位計的大小來調節放大的增益，實現輸入信號的放大改變。該電路設計的增益范圍為0—54dB。數字電位計值的選取主要取決于導波桿的類型、介電常數的大小和導波桿的長度等。

信號比較電路設計

由時域反射原理可知，從發射板得到的信號是液位回波信號，無液位時回波信號是正脈沖，有液位時則是負脈沖信號。所以對于后端信號處理需要獲取著兩種不同情況信號的時刻。

本設計采用TLC339作為比較器芯片，快速響應時間只有為2.5μs，功耗極低。同時，在比較器電路后還使用了低功耗的74VHCOO來組成與非門電路，它的高速轉換時間僅有3.7ns。

信號比較電路比較的信號為脈沖時域展寬后的毫秒級信號，是實際信號傳播時間的K倍，這部分器件響應速度的快慢對于信號計算影響非常大。電壓比較器電路如圖7所示。

回波信號首先經過兩路比較器進行比較，再經過與非門電路，最后送入單片機進行處理。有、無液位時都能收到回波信號。為了區分有、無液位這兩種情況，需要采用兩個比鉸器。

無液位時，第一路比較器能夠比較出正脈沖，另外一路則沒有輸出信號：有液位時恰好相反，第一路比較器沒有輸出信號，另外一路則比較出正脈沖。由此，在有、無液位的時刻都能捕獲到脈沖的時刻，根據信號的時刻不僅能區分出是否有液位，還能區分出液位的真實高度。在經過比較器比較后，可以比較得到回波的脈沖時間，然后再經過與非門電路后就可以得到液位回波的觸發脈沖REVl和REV2信號，之后再送給單片機處理。

數字電位計電路設計

單片機可以通過數字電位計芯片來迅速改變電阻值，來調理電路部分的增益和比較電壓。本設計使用256bit的數字電位計芯片AD8403ARU100，它包括四個可選電阻，電阻值最大都為100k。單片機可以通過三路SPI端口來輸入和更改阻值。

AD8403ARU100電路如圖8所示，具體每個通道都應用在各個電路中了。圖中每個通道的w端為可滑動端，win與兩頭的B端、A端間電阻值的計算為：

MSP430F149外圍電路設計

導波雷達液位計的單片機外圍電路設計主要有電源監控電路和按鍵電路等。

電源監控電路：電路使用了IMP706s，它能夠監控的電壓是2.76V，起到監控電源是否穩定的作用，在電源電壓下降低于2.76V時能夠及時進行復位。通過定時1.6秒喂看門狗來不斷循環監測電源信號，使得當程序不對時，通過這個芯片的看門狗也可以及時進行復位操作。

單片機的按鍵電路：按鍵僅僅使用了UP、DOWN、ENTER三個按鍵，而且分別接了三個上拉電阻，分別代表上翻、下翻、確定操作。通過這些按鍵能夠調用各個具體菜單的模塊，從而完成介電常數、桿長、零點、滿點等各關鍵的參數的設定、修改和液位的顯示。通過按鍵可以引起單片機的I/O口產生中斷，從而確認到底是哪個按鍵按下，以便軟件來實現對應的菜單跳轉或者修改功能。

系統軟件設計

系統軟件按功能分為控制程序、數據計算程序和系統輔助程序?？刂瞥绦蛑饕撠煶绦虻某跏蓟臀?、控制跳轉和外圍功能的實現，具體包括液位計初始化程序、菜單子程序、定時器程序、按鍵子程序、LCD顯示子程序、12C串行總線程序、FLASH讀寫程序和參數判斷校正程序等。數據計算程序包括信號發射子程序、信號接收處理子程序和數據計算子程序。系統輔助程序是一些應用于儀表維護需要的程序，包括系統診斷子程序和外部看門狗子程序。系統主程序流程如圖9所示。

液位計主程序的運行流程如下：首先單片機上電復位，進行系統初始化程序，系統會進行外部看門狗檢測，如果正常，則進入系統參數檢測。系統參數檢測會自動檢查測量所需各種參數以及初始化的參數是否正確。如果參數有錯誤，則進入系統參數校正子程序，校正參數的具體值從對應的FLASH中讀取。校正完畢后重新進行看門狗檢測，直到檢測正常后就開中斷并開始測量，測量后計算出來的結果通過外部通信協議進行輸出。在有按鍵操作時，根據按鍵操作顯示菜單可以分別切換到液位顯示菜單、參數菜單和診斷菜單。液位顯示菜單不斷循環顯示在LCD上液位的高度、百分比和輸出電流值。參數菜單顯示和修改各系統參數信息，修改后的參數自動存入FLASH存儲器中。