导波雷达液位计硬件设计和应用

摘要

导波雷达液位计已经发展了三十多年，无论是早期功能单一的仪表亦或是现代的自动化仪表，测量原理早已趋于成熟，且鲜有创新性的突破，后续的研究只是在测量方法或是信号处理上做出些许改进、创新。因此液位测量仪表的发展方向是以新的科技为支撑，使之更加集成化和智能化。
　　本文设计的液位计仪表基于时域反射的测量原理，以低功耗为主线，从器件选型，方案选择，电路设计，传感器制作等方面，提出了一种新的设计思路。在满足功耗和板上面积的前提下，采用冗余设计的思想，即关键模块设置备用，或为今后扩展或增加系统可靠性。本文主要讨论导波雷达液位计的硬件设计，采用系统化的设计方法，将系统划分为若干子系统并进一步按功能细分为不同的电路模块。
　　首先针对各个电路模块的实现，从多种方案出发，分析各自的优缺点，选择最佳的实现。对于低成本的采样电路实现，等效采样是唯一的选择，系统大量采用低功耗的器件，从微控制器到无源器件，功耗和漏电流等指标是选择的标准。电源电路的设计从两种角度着手，电池供电时采用LDO线性稳压器的提供所需电源，而直流24V供电时则采用集成化的解决方案，单个芯片便可提供系统所需的所有电压等级，而且对HART通信有更好的支持，两种方案皆不会占用过多的板上面积。通信方式选择在传统的4～20mA电流环路中添加频移键控 HART调制解调器，使得可以同时传送多个现场变量，同时保留 RS485作为备用。微控制器选用意法半导体的低功耗产品，其丰富的外设和优越的性能除了满足系统基本功能和功耗要求外，通过移植嵌入式系统和协议栈可以对以太网通信有较好的支持。作为直接采样的基础，从超宽带窄脉冲的实现出发，通过仿真实验以数字门电路结合阶跃恢复二极管实现了一种皮秒级的窄脉冲发生器。对于发射信号与回波的时间间隔的测量，可采用FPGA实现的延时链路或专用集成电路时间数字转换器件，简化系统的复杂性。最后探讨了作为信号载体的传感器的设计方法。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 液位计背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 导波雷达液位计性能指标

1.4 论文主要研究内容及章节安排

1.5 本章小结

第二章 导波雷达液位计理论分析

2.1 时域反射理论

2.2 等效采样技术

2.3 超宽带技术

2.4 时间间隔测量技术

2.5 本章小结

第三章 液位测量系统硬件设计

3.1 系统硬件架构

3.2 信号产生电路

3.3 信号调理电路

3.4 电源电路

3.5 通信电路

3.6 控制及外围电路

3.7 传感器及实验装置设计

3.8 低功耗设计总结

3.9 本章小结

第四章 回波直接测量技术

4.1 超宽带窄脉冲发生器

4.2 时间数字转换

4.3 本章小结

第五章 电路调试与数据分析

5.1 硬件电路调试

5.2 实验结果与数据处理

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

附录