MSP430F449在超低功耗高精度转达液位仪中的应用

文章摘要：图2中TB输出的几路波形中，TB1作为系统中断源，中断1时刻唤醒CPU，CPU打开ADC对回波信号进行采集，并采集回波数据；中断2时刻CPU关闭ADC和外部电路。TB2、TB3分别控制两路窄脉冲产生电路的开与关。TB4作为双路DDS的开关信号。2．3 MSP430F449测量方式与信号处理前面说过，在信号处理机制上使用了具有创新意义的时间比例放大技术。这种技术将发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔按一定的比例放大，时间比例放大需要另一个频率与发射脉冲频率很近的参考信号。本设计中根据时间比例放大测量的需求分别产生1MHz、1MHz+100Hz和1MHz、1MHz+4MHz的双路信号控制发射脉冲和参考

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图2中TB输出的几路波形中，TB1作为系统中断源，中断1时刻唤醒CPU，CPU打开ADC对回波信号进行采集，并采集回波数据；中断2时刻CPU关闭ADC和外部电路。TB2、TB3分别控制两路窄脉冲产生电路的开与关。TB4作为双路DDS的开关信号。

2．3 MSP430F449测量方式与信号处理

前面说过，在信号处理机制上使用了具有创新意义的时间比例放大技术。这种技术将发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔按一定的比例放大，时间比例放大需要另一个频率与发射脉冲频率很近的参考信号。本设计中根据时间比例放大测量的需求分别产生1MHz、1MHz+100Hz和1MHz、1MHz+4MHz的双路信号控制发射脉冲和参考脉冲产生电路，并且需要能够精确控制它们的相对相位。这两路信号是通过MSP430F449控制双路直接数字频率合成器（DDS）AD9834而产生的。

DDS技术以其极高的频率分辨率、极短的频率转换时间、输出信号相位连续等特点而得到广泛应用。本设计中使用AD公司的DDS芯片AD9834，其内部包含相位累加器、编程寄存器、串行I/O接口、正弦查询表、D/A变换器等。AD9834频率控制字为28位，5MHz系统时钟时频率分辨率为0.0186Hz，3V电源电压供电时功耗为20mW。AD9834提供低功耗模式，由TB4的输出信号进行控制。MSP430F449通信串行I/O口控制双路DDS输出频率和相对相位。MSP430F449控制两路频率分别为1.000119MHz和1.000123MHz的AD9834输出信号时频谱如图3所示。

一次完整的测量过程分为目标搜索和精确测量两部分。完成一次目标搜索需要两个TB周期，在这个阶段，发射脉冲的频率为1MHz+100Hz，参考脉冲的频率为1MHz。根据分析，此时时间比例放大系数K=10001，系统最大测量距离为30m，发射脉冲和接收脉冲最大时间间隔为200ns；经过时间比例放大后，最大时间间隔为2.0001ms，所以两个采样周期就可以把目标可以出现的位置都记录到。根据两次记录的数据判断目标出现位置，并换算成相位。在第三个TB周期，MSP430F449进入精确测量阶段，由目标搜索阶段中记录的目标相位值设置产生参考脉冲时钟的AD9834相位，频率设置为1MHz+4Hz，产生脉冲时钟的AD9834频率设置为1MHz。此时，相应的比例放大系数K=250001，在200kHz采样时钟下，时间的分辨率为20ps，相应的距离分辨率为3mm，在精确测量阶段可以满足系统距离精度的要求。

2．4 MSP430F449与HART协议通信模块

液位仪的测量结果和PC机对液位仪的控制信号经HART通信模块传输。HART可寻址远程传感器。高速通道开放通信协议是一种应用于现场智能仪表和控制室设备间的通信协议，它采用在4～20mA模拟信号上叠加音频数字信号进行双向数字通讯，而不影响传送给控制系统的模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统兼容。本设计中采用HART协议的简化三层模型结构，即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。HART协议框图如图4所示。

HART通信模块在硬件设计中也采用了低功耗设计方案选用低功耗器件，其硬件实现框图如图5所示。

D/A转换器AD421输出符合两线制的4～20mA电流的直流信号，HART调制解调器HT2015及其附属电路实现HART通信的调制解调器功能。MSP430F449通过内部集成的通用串行收发模块UART与HART通信模块连接，经过HART通信模块对信号的调制解调后再通过双线与主控计算机的串口进行异步串行通信，计算机的串口上装有HART转换卡。另外，HART通信模块还采用DC-DC转换芯片MAX1745完成电源电压的转换，为整个系统供电。

具体协议的软件实现可以自己灵活编制。与传统方案相比，该方案具有可靠性较高、实时性较强、成本较低等优点。

雷达液位仪达到的技术指标主要有：最大测量范围30m，分辨率1mm，测量误差≤5mm，3.3V电压工作时工作电流8.5mA，功耗30mW。

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