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單片機技術已經滲透到人業生活的各個方面，廣泛應用于家用電器、通信、工業控制待仿真度。隨著電子技術的發展，單片機也呈現出高集成度、低功耗、基于閃存的可編程技術和將復雜模塊集成到內部等發展趨勢。 TI公司的MSP430系列單片機就順應了這些發展趨勢。它的低功耗特點使之特點適用于電池供電設備或手持設備中。該系列單處機還將大量的外圍模塊整合到片內，所以也適合構成較完整的片上系統。其豐富的型號給設計者選擇帶來了很大的靈活性。MSP430系列采用16位精簡指令架構，有大量工作寄存器和數據存儲器（MSP430F449含有最多的2KB的RAM），可以說，MSP430系列單片機憑借這些杰出的性能特點，已成為眾多單片機中耀眼的新星。 雷達液位儀是雷達技術應用于民用領域的典型例子，它用于石油工業等行業里高壓儲罐的液位測量中。國外公司開發的產品價格昂貴，而國內的相關研究結果還不能令人滿意。所以研制高性能、智能化的雷達液位儀，對我國石油工業液位測量儀器的更新具有重要意義。 為達到本質安全的工業標準，研制的雷達液俠儀對系統提出了極為嚴格的要求，其功耗必須低于70mW，同時精度要求達到5mm。這給MSP430系列單片機提供了發揮特長的機會。通過選用這個系列產品中最高端的MSP430F449，充分利用其低功耗、高性能、豐富的片上外設等特點搭建系統平臺，再加上采用特殊的系統控制和信號處理機制，非常好地實現了系統指標要求。 1 MSP430FF449簡介 MSP430FF449是MSP430系列產品中最高檔的型號。它采用16位RISC結構，具有豐富的片內外設和大容量的片內工作寄存器和存儲器，性能價格比很高。它的特點有： 超低的功耗：能夠在1.8～3.6V的電壓下工作；具有工作模式（AM）和五種低功耗模式（LPM）。在3V、1MHz時鐘驅動下，各個工作模式下的供電電流典型值如表1所示。 表1 SMP430F449工作模式與耗電電流 工作模式 AM LPM0 LPM2 LMP3 LMP4 供電電流/μA 420 55 27 1.6 0.1 可見工作模式供電電流典型值低達420μA，低功耗，低功耗模式電流更是顯著降低，最低為0.1μA。 在低功耗模式下，CPU可以被中斷喚醒，響應時間小于6μs。 較強的運算功能：16位的RISC結構，豐富的尋扯方式；具有16位中斷源，并且可以任意嵌套；在8MHz時鐘驅動下指令周期可達125ns；內部包含硬件乘法器和大量寄存器以及多達64K Byte和FLASH程序空間和2K Byte的RAM空間，為存儲數據和進行運算提供了保證。這些特點使MSP430F449具有很強的數字信號處理能力，可以開發出高效率的源程序。 豐富的片上外設：包括看門狗定時器，基于定時器，比較器，16Bit定時器（TA、TB），串口0、1，液晶顯示驅動器，六個8bit的I/O端口，12位ADC（最高采樣率200kHz）等。豐富的片上外設使設計者可以很方便地構建一個較為完整的系統。另外，充分利用計數器的多路任意波形產生功能和中斷控制功能，保證了一些復雜的時序控制任務的完成。 方便高效的開發環境：MSP430F449是FLASH型器件，片內有JTAG調試接口和電可擦寫的FLASH存儲器，所以可以先下載程序到FLASH內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由JTAG接口讀取片內信息供設計得調試。這種方式不需要仿真器和編程器，調試十分方便。 2 雷達液位儀實現方案 2．1 雷達液位系統結構 低功耗、高精度智能雷達液位儀的系統結構如圖1所示。 系統硬件分為三部分：測量模塊、HART通信模塊和測量線。測量模塊電路板包括MSP430F449控制器、直接數字頻率合成器（DDS）控制的窄脈沖產生電路、脈沖收發與處理電路、A/D采樣、結果顯示等。這個模塊完成距離的精確測量，并實時時通過HART板同上位機進行數據通信。HART板完成MSP430F449控制器與上位進行數據通信。HART板完成MSP430F449控制器與上位機的通信、4～20mA電流的產生、電源電壓的轉換。測量線包括與測量板之間的機械接口、法蘭和電纜。該系統還包括主控計算機上的人機交互軟件，系統和主控計算機的連接采用符合工業標準的兩線制，即電源線和信號線共用。 在系統工作時序的設計中，采用系統間歇工作方式，以40ms為一個周期。前1ms為電路工作時間，MSP430F449的CPU被中斷喚醒后，打開電路中雙路DDS、雙路窄脈沖產生電路、ADC等部分電路，自身采集A/D轉換后得到的數據。后39ms為電路休眠時間，MSP430F449的CPU關閉這些外圍電路和片內外設，自身進入信號處理主程序，完成信號處理工作后再進入休眠模式。這種工作方式既考慮到對到系統功耗的要求，也兼顧了MSP430F449的信號處理速度。 在信號處理機制上，由于系統要求的測量范圍為0.25m～30m，精度為5mm，以目前的電子技術水平，如果采用直接測量一個周期發射脈沖和接收脈沖之間的時間間隔的方式，是很難達到這樣的要求的。所以在信號處理機制中采用了時間比例放大技術，并且以模擬相乘的方法實現了時間軸的放大。具體的電路實現用到了DDS技術和窄脈沖產生技術。 MSP430F449在系統中完成了對系統工作時序的控制、數據采集與信號處理、結構顯示、與主機通信等諸多任務。下面將對具體的設計作一介紹。 2．2 MSP430F449對系統工作時序的控制 前面已經介紹過系統的間歇工作方式，這種工作方式的時序控制是利用MSP430F449的計數器的多路任意波形產生功能和中斷控制功能，以及CPU的中斷快速喚醒功能實現的。 系統復位后，MSP430F449首先對電路進行初始化，包括設置MSP430F449內部的兩個16位計數器TA和TB及其中斷、設置兩路DDS、設置片內ADC、設置HART板等。之后，MSP430F449的CPU開計數器TB使其開始計數，自身則進入功耗極低的休眠模式。系統就在TB輸出信號的控制下實現要求的工作時序。TB、TA的輸出波形如圖2所示。 其中，計數器A的輸出信號設置為片內ADC的采樣時鐘源，采樣頻率設置為200kHz；計數器B的計數周期則設為40ms，并且設置相應通道的輸出波形休眠。需要設置的MSP430F449和外部電路的工作或者休眠。需要設置的TB的寄存器有控制寄存器、計數值寄存器、捕獲/比較控制寄存器、捕獲/比較寄存器等，它們規定了TB的時鐘源、工作方式、計數周期、輸出模式、中斷等。 圖2中TB輸出的幾路波形中，TB1作為系統中斷源，中斷1時刻喚醒CPU，CPU打開ADC對回波信號進行采集，并采集回波數據；中斷2時刻CPU關閉ADC和外部電路。TB2、TB3分別控制兩路窄脈沖產生電路的開與關。TB4作為雙路DDS的開關信號。 2．3 MSP430F449測量方式與信號處理 前面說過，在信號處理機制上使用了具有創新意義的時間比例放大技術。這種技術將發射脈沖和接收脈沖之間的時間間隔按一定的比例放大，時間比例放大需要另一個頻率與發射脈沖頻率很近的參考信號。本設計中根據時間比例放大測量的需求分別產生1MHz、1MHz+100Hz和1MHz、1MHz+4MHz的雙路信號控制發射脈沖和參考脈沖產生電路，并且需要能夠精確控制它們的相對相位。這兩路信號是通過MSP430F449控制雙路直接數字頻率合成器（DDS）AD9834而產生的。 DDS技術以其極高的頻率分辨率、極短的頻率轉換時間、輸出信號相位連續等特點而得到廣泛應用。本設計中使用AD公司的DDS芯片AD9834，其內部包含相位累加器、編程寄存器、串行I/O接口、正弦查詢表、D/A變換器等。AD9834頻率控制字為28位，5MHz系統時鐘時頻率分辨率為0.0186Hz，3V電源電壓供電時功耗為20mW。AD9834提供低功耗模式，由TB4的輸出信號進行控制。MSP430F449通信串行I/O口控制雙路DDS輸出頻率和相對相位。MSP430F449控制兩路頻率分別為1.000119MHz和1.000123MHz的AD9834輸出信號時頻譜如圖3所示。 一次完整的測量過程分為目標搜索和精確測量兩部分。完成一次目標搜索需要兩個TB周期，在這個階段，發射脈沖的頻率為1MHz+100Hz，參考脈沖的頻率為1MHz。根據分析，此時時間比例放大系數K=10001，系統最大測量距離為30m，發射脈沖和接收脈沖最大時間間隔為200ns；經過時間比例放大后，最大時間間隔為2.0001ms，所以兩個采樣周期就可以把目標可以出現的位置都記錄到。根據兩次記錄的數據判斷目標出現位置，并換算成相位。在第三個TB周期，MSP430F449進入精確測量階段，由目標搜索階段中記錄的目標相位值設置產生參考脈沖時鐘的AD9834相位，頻率設置為1MHz+4Hz，產生脈沖時鐘的AD9834頻率設置為1MHz。此時，相應的比例放大系數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，在精確測量階段可以滿足系統距離精度的要求。 2．4 MSP430F449與HART協議通信模塊 液位儀的測量結果和PC機對液位儀的控制信號經HART通信模塊傳輸。HART可尋址遠程傳感器。高速通道開放通信協議是一種應用于現場智能儀表和控制室設備間的通信協議，它采用在4～20mA模擬信號上疊加音頻數字信號進行雙向數字通訊，而不影響傳送給控制系統的模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統兼容。本設計中采用HART協議的簡化三層模型結構，即第一層物理層、第二層數據鏈路層和第七層應用層。HART協議框圖如圖4所示。 HART通信模塊在硬件設計中也采用了低功耗設計方案選用低功耗器件，其硬件實現框圖如圖5所示。 D/A轉換器AD421輸出符合兩線制的4～20mA電流的直流信號，HART調制解調器HT2015及其附屬電路實現HART通信的調制解調器功能。MSP430F449通過內部集成的通用串行收發模塊UART與HART通信模塊連接，經過HART通信模塊對信號的調制解調后再通過雙線與主控計算機的串口進行異步串行通信，計算機的串口上裝有HART轉換卡。另外，HART通信模塊還采用DC-DC轉換芯片MAX1745完成電源電壓的轉換，為整個系統供電。 具體協議的軟件實現可以自己靈活編制。與傳統方案相比，該方案具有可靠性較高、實時性較強、成本較低等優點。 雷達液位儀達到的技術指標主要有：最大測量范圍30m，分辨率1mm，測量誤差≤5mm，3.3V電壓工作時工作電流8.5mA，功耗30mW。 |
