單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)滲透到人類生活的各個方面，廣泛應(yīng)用于家用電器,、通信,、工業(yè)控制等領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,，單片機(jī)也呈現(xiàn)出高集成度,、低功耗、基于閃存的可編程技術(shù)和將復(fù)雜模塊集成到內(nèi)部等發(fā)展趨勢,。
　　TI公司的MSP430系列單片機(jī)就順應(yīng)了這些發(fā)展趨勢,。它的低功耗特點(diǎn)使之特別適用于電池供電設(shè)備或手持設(shè)備中。該系列單片機(jī)還將大量的外圍模塊整合到片內(nèi),，所以也適合構(gòu)成較完整的片上系統(tǒng),。其豐富的型號給設(shè)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(gòu),，有大量工作寄存器和數(shù)據(jù)存儲器(MSP430F449含有最多的2KB的RAM),，可以說，MSP430系列單片機(jī)憑借這些杰出的性能特點(diǎn),，已成為眾多單片機(jī)中耀眼的新星,。
　　雷達(dá)液位儀是雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于民用領(lǐng)域的典型例子,，它用于石油工業(yè)等行業(yè)里高壓儲罐的液位測量中,。國外公司開發(fā)的產(chǎn)品價格昂貴，而國內(nèi)的相關(guān)研究結(jié)果還不能令人滿意,。所以研制高性能,、智能化的雷達(dá)液位儀，對我國石油工業(yè)液位測量儀器的更新具有重要意義,。
　　為達(dá)到本質(zhì)安全的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),，研制的雷達(dá)液位儀對系統(tǒng)提出了極為嚴(yán)格的要求，其功耗必須低于70mW,，同時精度要達(dá)到±5mm,。這給MSP430系列單片機(jī)提供了發(fā)揮特長的機(jī)會。通過選用這個系列產(chǎn)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(shè)等特點(diǎn)搭建系統(tǒng)平臺，再加上采用特殊的系統(tǒng)控制和信號處理" title="信號處理">信號處理機(jī)制,，非常好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)指標(biāo)要求,。
1 MSP430F449簡介
　　MSP430F449是MSP430系列產(chǎn)品中最高檔的型號。它采用16位RISC結(jié)構(gòu),，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)和大容量的片內(nèi)工作寄存器和存儲器,，性能價格比很高。它的特點(diǎn)有：
　　·超低的功耗：能夠在1.8V～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(qū)動下,，各個工作模式下的供電電流典型值如表1所示,。

　　可見工作模式供電電流典型值低達(dá)420μA，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(yīng)時間小于6μs,。
　　·較強(qiáng)的運(yùn)算能力：16位的RISC結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式,；具有16個中斷源,，并且可以任意嵌套；在8MHz時鐘驅(qū)動下指令周期可達(dá)125ns,；內(nèi)部包含硬件乘法器和大量寄存器以及多達(dá)64K Byte的FLASH程序空間和2K Byte的RAM空間,，為存儲數(shù)據(jù)和進(jìn)行運(yùn)算提供了保證。這些特點(diǎn)使MSP430F449具有很強(qiáng)的數(shù)字信號處理能力,，可以開發(fā)出高效率的源程序,。
　　·豐富的片上外設(shè)：包括看門狗定時器，基本定時器,，比較器,，16Bit定時器(TA、TB),串口0,、1,，液晶顯示驅(qū)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(shè)使設(shè)計者可以很方便地構(gòu)建一個較為完整的系統(tǒng)。另外,，充分利用計數(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能,，保證了一些復(fù)雜的時序控制任務(wù)的完成,。
　　·方便高效的開發(fā)環(huán)境：MSP430F449是FLASH型器件，片內(nèi)有JTAG調(diào)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(nèi),，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計者調(diào)試,。這種方式不需要仿真器和編程器,，調(diào)試十分方便。
2 雷達(dá)液位儀實(shí)現(xiàn)方案
2.1 雷達(dá)液位儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　低功耗,、高精度智能雷達(dá)液位儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　系統(tǒng)硬件分為三部分：測量模塊、HART通信模塊" title="通信模塊">通信模塊和測量線,。測量模塊電路板包括MSP430F449控制器,、直接數(shù)字頻率合成器(DDS)控制的窄脈沖產(chǎn)生電路、脈沖收發(fā)與處理電路,、A/D采樣,、結(jié)果顯示等。這個模塊完成距離的精確測量,，并實(shí)時地通過HART板同上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,。HART板完成MSP430F449控制器與上位機(jī)的通信、4～20mA電流的產(chǎn)生,、電源電壓的轉(zhuǎn)換,。測量線包括與測量板之間的機(jī)械接口、法蘭和電纜,。該系統(tǒng)還包括主控計算機(jī)上的人機(jī)交互軟件,，系統(tǒng)和主控計算機(jī)的連接采用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線制，即電源線和信號線共用,。
　　在系統(tǒng)工作時序的設(shè)計中,，采用系統(tǒng)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" title="雙路">雙路DDS,、雙路窄脈沖產(chǎn)生電路、ADC等部分電路,，自身采集A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù),。后39ms為電路休眠時間，MSP430F449的CPU關(guān)閉這些外圍電路和片內(nèi)外設(shè),，自身進(jìn)入信號處理主程序,，完成信號處理工作后再進(jìn)入休眠模式,。這種工作方式既考慮到對系統(tǒng)功耗的要求，也兼顧了MSP430F449的信號處理速度,。
　　在信號處理機(jī)制上,，由于系統(tǒng)要求的測量范圍為0.25m～30m，精度為±5mm,，以目前的電子技術(shù)水平,，如果采用直接測量一個周期發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時間間隔的方法，是很難達(dá)到這樣的要求的,。所以在信號處理機(jī)制中采用了時間比例放大技術(shù),，并且以模擬相乘的方法實(shí)現(xiàn)了時間軸的放大。具體的電路實(shí)現(xiàn)用到了DDS技術(shù)和窄脈沖產(chǎn)生技術(shù),。
　　MSP430F449在系統(tǒng)中完成了對系統(tǒng)工作時序的控制,、數(shù)據(jù)采集與信號處理、結(jié)果顯示,、與主機(jī)通信等諸多任務(wù),。下面將對具體的設(shè)計作一介紹。
2.2 MSP430F449對系統(tǒng)工作時序的控制
　　前面已經(jīng)介紹過系統(tǒng)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(shù)器的多路任意波形產(chǎn)生功能和中斷控制功能,，以及CPU的中斷快速喚醒功能實(shí)現(xiàn)的。
　　系統(tǒng)復(fù)位后,，MSP430F449首先對電路進(jìn)行初始化,，包括設(shè)置MSP430F449內(nèi)部的兩個16位計數(shù)器TA和TB及其中斷、設(shè)置兩路DDS,、設(shè)置片內(nèi)ADC,、設(shè)置HART板等。之后,，MSP430F449的CPU開計數(shù)器TB使其開始計數(shù),，自身則進(jìn)入功耗極低的休眠模式。系統(tǒng)就在TB輸出信號的控制下實(shí)現(xiàn)要求的工作時序,。TB,、TA的輸出波形如圖2所示。

　　其中,，計數(shù)器A的輸出信號設(shè)置為片內(nèi)ADC的采樣時鐘源,，采樣頻率設(shè)置為200kHz；計數(shù)器B的計數(shù)周期則設(shè)為40ms,，并且設(shè)置相應(yīng)通道的輸出波形類型,，用于控制MSP430F449和外部電路的工作或者休眠。需要設(shè)置的TB的寄存器有控制寄存器,、計數(shù)值寄存器,、捕獲/比較控制寄存器,、捕獲/比較寄存器等，它們規(guī)定了TB的時鐘源,、工作方式,、計數(shù)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(tǒng)中斷源,，中斷1時刻喚醒CPU,，CPU打開ADC對回波信號進(jìn)行采樣，并采集回波數(shù)據(jù),；中斷2時刻CPU關(guān)閉ADC和外部電路,。TB2、TB3分別控制兩路窄脈沖產(chǎn)生電路的開與關(guān),。TB4作為雙路DDS的開關(guān)信號,。
2.3 MSP430F449測量方式與信號處理
　　前面說過，在信號處理機(jī)制上使用了具有創(chuàng)新意義的時間比例放大技術(shù),。這種技術(shù)將發(fā)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(fā)射脈沖頻率很近的參考信號。本設(shè)計中根據(jù)時間比例放大測量的要求分別產(chǎn)生1MHz,、1MHz＋100Hz 和1MHz,、1MHz＋4Hz的雙路信號控制發(fā)射脈沖和參考脈沖產(chǎn)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(shù)字頻率合成器(DDS)AD9834而產(chǎn)生的,。
　　DDS技術(shù)以其極高的頻率分辨率、極短的頻率轉(zhuǎn)換時間,、輸出信號相位連續(xù)等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用,。本設(shè)計中使用AD公司的DDS芯片AD9834，其內(nèi)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(tǒng)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(jìn)行控制,。MSP430F449通過串行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(biāo)搜索和精確測量兩部分,。完成一次目標(biāo)搜索需要兩個TB周期,，在這個階段，發(fā)射脈沖的頻率為1MHz+100Hz,，參考脈沖的頻率為1MHz,。根據(jù)分析，此時時間比例放大系數(shù)K=10001,，系統(tǒng)最大測量距離為30m,，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,，所以兩個采樣周期就可以把目標(biāo)可能出現(xiàn)的位置都記錄到。根據(jù)兩次記錄的數(shù)據(jù)判斷目標(biāo)出現(xiàn)位置,，并換算成相位,。在第三個TB周期，MSP430F449進(jìn)入精確測量階段,，由目標(biāo)搜索階段中記錄的目標(biāo)相位值設(shè)置產(chǎn)生參考脈沖時鐘的AD9834相位,，頻率設(shè)置為1MHz+4Hz，產(chǎn)生脈沖時鐘的AD9834頻率設(shè)置為1MHz,。此時,，相應(yīng)的比例放大系數(shù)K=250001，在200kHz采樣時鐘下,，時間的分辨率為20ps,，相應(yīng)的距離分辨率為3mm，在精確測量階段可以滿足系統(tǒng)距離精度的要求,。
2.4 MSP430F449與HART協(xié)議通信模塊
　　液位儀的測量結(jié)果和PC機(jī)對液位儀的控制信號經(jīng)HART通信模塊傳輸,。HART可尋址遠(yuǎn)程傳感器。高速通道開放通信協(xié)議是一種應(yīng)用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備間的通信協(xié)議,，它采用在 4～20mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊,，而不影響傳送給控制系統(tǒng)的模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)兼容,。本設(shè)計中采用HART協(xié)議的簡化三層模型結(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(yīng)用層,。HART協(xié)議框圖如圖4所示,。
　　HART通信模塊在硬件設(shè)計中也采用了低功耗設(shè)計方案并選用低功耗器件，其硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。