基于CPLD的料位檢測系統的設計

黃齊超，王景存，朱思彪

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢430081）

目前，我國農業發展存在著勞動生產率低、生產成本高、土地產出率低、資源利用率低和國際競爭力不強等問題，而農業機械化水平不高是導致問題產生的根本原因之一，依靠信息技術提高農業機械化水平是解決這些問題的重要途徑[1]。

施肥作業是農業生產過程中一個重要的環節。當肥料箱出現肥料排空時，會發生漏施現象，容易造成農作物減產，引起農業生產損失[2]。因人工檢測法存在檢測不及時等諸多弊端，所以設計肥料箱料位電子測量裝置是非常必要的。目前國內有對料位檢測傳感器的研究，但系統的肥料箱料位檢測方案尚不完善。基于此，設計了料位檢測系統，并采用復雜可編程邏輯器件CPLD 作為主控芯片。CPLD 的引入，避免了用單片機易受干擾等情況的發生，提高了系統的可靠性。這一方案對提高農機信息化和精準化具有重要意義。

1 肥料箱料位檢測系統介紹

在肥料箱料位檢測系統工作過程中，電容式傳感器將肥料箱料位高低變化轉換為電容值的變化，再經電容電壓轉換電路轉換成電壓值，經雙帶通濾波電路和A/D 轉換電路后由CPLD 獲取料位數字信號，CPLD 處理后將信號輸送給電流輸出、顯示及報警燈模塊。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

料位檢測系統以CPLD 為控制系統，與系統其它部分進行實時通信，完成參數控制、信號處理、輸出控制等功能。CPLD 獲取AD 值后，通過邏輯將其轉換為對應料位值并送往電流及顯示模塊，將對應料位值在電流表和顯示屏上顯示出來，并在料位（即剩余量百分比）低于5%時控制報警燈閃爍。系統選用AD7710 作為A/D 轉換模塊的芯片。該芯片精度高，具有系統校準、自校準等多種校準模式，且允許用戶讀寫校準、控制寄存器，這使得系統對A/D轉換模塊具有更強的控制能力，保證了A/D 轉換的精度。

2 電容傳感器檢測原理

利用空氣與顆粒化肥的介電常數不同，可設計出電容式料位傳感器。平行極板電容傳感器的一個極板安裝在在肥料箱一側內壁上，另一極板安裝在對面一側內壁。當料位變化時，空氣與顆粒化肥的混合比例發生變化，導致電容率改變，從而引起電容傳感器輸出電容值變化[3]。

平行板電容C 為

式中：ε0為真空介電常數；εr為相對介電常數；S 為兩平行板間相對覆蓋面積；d 為兩平行板間距離。

當料位下降時，傳感器的介電常數ε 為

式中：ε1，ε2分別為顆粒化肥和空氣的相對介電常數；V1，V2分別為顆粒化肥和空氣所占的體積；V 為電容傳感器兩極板間的總體積；h1，h2分別為肥料箱中肥料和空氣的高度；h 為肥料箱裝料部分的總高度。

當肥料箱中充滿顆粒化肥時的電容C0為

當料位下降Δh 時，電容變化量ΔC 為

由以上公式可知，電容傳感器輸出電容值與料位高度成線性關系。通過實時獲取傳感器的輸出電容信號，可以實現肥料箱料位的在線檢測。

3 硬件設計

3.1 CAV444 電容電壓轉換電路

對于電容傳感器輸出電容的測量，采用恒流源對電容器充電的方式，存在電荷泄露的問題，雜散電容對其影響較大，無法保證測量精度。CAV444線性電容電壓轉換芯片是一種高性能的電容電壓轉換集成芯片，使用簡單，測量范圍大（最大可達2200 pF）。設計CAV444 電容電壓轉換電路可實現傳感器輸出電容的高精度測量，其轉換電路如圖2所示。

圖2 電容電壓轉換電路Fig.2 Capacitor-voltage conversion circuit

CAV444 用恒定的電流對Cm進行周期性地充放電，產生一個振幅為常數的三角波。這個三角波的頻率，也就是測量振蕩器的頻率fm。fm是與被測電 容Cm相 關的[4]。

借助于f/V 頻率電壓轉換電路和低通濾波器將三角波轉換成直流電壓信號，該信號通過輸出級的阻抗轉換和放大成為電壓輸出信號。傳遞函數為

其中

式中：Cm，max為設定測量電容范圍的最大值；R2，R4，R5為固定電阻；R1為滿度調準電阻；R3為零點調準電阻。由式可知，輸出的差分電壓信號與測量電容Cm成線性關系。

3.2 濾波及A/D 轉換電路

在肥料箱料位檢測過程中，無論在轉換前、轉換時還是轉換完成進入探測系統后，都會有噪聲存在。料位檢測過程中的噪聲來源主要包括傳感器本身的噪聲、測量時待測信號本身不穩定，或是由于周圍環境的影響造成的信號擾動，以及測量電路內部引入的電路噪聲。為了在提取料位信號的過程中盡量減少干擾信號和噪聲，在此將基于MAX261 的低通濾波加入電路中，濾波及A/D 轉換電路如圖3所示。

圖3 濾波及A/D 轉換電路Fig.3 Filter and A/D conversion circuit

MAX261 為CMOS 雙二階通用開關電容有源濾波器，可以采用微處理器控制其精確濾波函數，無需外圍元件即可構成多種帶通、低通、高通、帶阻全通濾波器，其內部含有2 個二階濾波單元，每個單元中心頻率、Q 值和濾波器工作模式均可由CPLD 控制。

3.3 控制電路

CPLD 選用Altera 公司的MAX7000 系列的EPM7128STC100-6。EPM7128S 有2500 個可用門、128 個宏單元、8 個邏輯陣列模塊，80 個用戶I/O 引腳，引腳間邏輯延遲為5 ns，并可通過JTAG 接口實現在線編程。

圖中，在每個WR 的低電平MAX261 接收數據；A0—A3 為地址位；D0—D1 為數據位。整個通信過程MAX261 接收了16 次有效數據。

圖4 MAX261 時序圖Fig.4 MAX261 sequence diagram

CPLD 通過與AD7710 通信，獲取料位的AD 采樣值后，將AD 采樣值轉換成與實際料位相對應的電流值數字信號。此外，CPLD 還可將數據寫入AD7710 的控制寄存器，啟動AD7710 的自校準和系統校準； 通過讀寫校準寄存器來監控和校正AD7710 的校準系數。CPLD 與AD7710 的通信邏輯圖如圖5所示。

圖5 AD7710 時序圖Fig.5 AD7710 sequence diagram

圖中，SCLK 和SDATA 為時鐘信號線和數據線；A0 為數據寄存器、校準寄存器和控制寄存器的控制線；TFS 為幀同步傳輸端；RFS 為幀同步接收端；DRDY 為邏輯輸出端。

CPLD 通過SPI 接口控制AD420 實現電流輸出。CPLD 與AD420 的通信邏輯圖如圖6所示。圖中，CLK 和DATA 為時鐘線和數據線；LOAD 為選擇線。

圖6 輸出電流時序圖Fig.6 Output current sequence diagram

3.4 電流輸出電路

CPLD 將軟件部分計算出的電流數字信號輸出給AD420。AD420 是一款高精度、低功耗全數字電流環輸出轉換器，它將輸入的電流值數字信號轉換為電流輸出。該芯片具有靈活的串行數字接口（最大速率可達3.3 Mb/s），抑制干擾能力強。

AD420 的輸出可以是電流信號0～20 mA，4～20 mA 或0～24 mA，也可以是電壓信號，可通過配置引腳Range Select1 和Range Select2 的高低電平來設置其輸出類型。料位檢測系統在肥料箱快排空時，需要由直觀的電流值反映出來，故可選擇0～20 mA的輸出，則Range Select1 電平為低，Range Select2電平為高。其電流輸出電路如圖7所示。

圖7 電流輸出電路Fig.7 Current output circuit

4 試驗結果與分析

對肥料箱進行排空試驗，獲取料位的AD 采樣值。其中，料位用剩余量百分比表示，AD7710 設置為雙極性輸入模式，16 位數字輸出。試驗數據見表1，料位與AD 采樣值的關系曲線如圖8所示。

表1 料位與AD 采樣值的關系Tab.1 Material level and AD sampling value

圖8 料位值與AD 采樣值關系Fig.8 Material level and AD sampling value

由圖可見，料位電容傳感器存在一定的非線性誤差。故軟件部分將AD7710 值轉換為實際料位值時，需要進行線性化處理；將測量料位值轉化為輸出電流值。

線性化后，測得試驗數據和誤差見表2。由表可知，線性化后的誤差小于2.5%，該系統有較高的檢測精度。

表2 實測料位與誤差Tab.2 Measured material level and error

5 結語

基于電容傳感器設計了一款用于檢測肥料箱料位的高精度檢測系統，該檢測系統可以將料位值實時的顯示在駕駛室的液晶顯示屏上，并在料位值低于5%時使報警燈閃爍，該系統可以實現肥料箱料位的在線檢測及預警。系統采用高精度可編程A/D 轉換芯片，對校準過程有較強的控制能力；CPLD 控制濾波芯片參數，使系統對不同的使用環境有更強的適應能力。