CN103743453B - 一种雷达物位计系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于公开一种雷达物位计系统的控制方法，它包括一主控制单元及与所述主控制单元相连接的显示单元、配置数据存储单元、按键处理单元、通信单元、4‑20MA调制单元、复位单元、发射信号处理单元、回波信号采样处理单元和扩展单元；与现有技术相比，基于以上方法可用更多时间处理复杂的回波数据中数学运算部分，从而满足了系统的可靠性和实时性，达到准确测量的目的，实时响应速度快、测量及输出精度高，实现本发明的目的。

Description

一种雷达物位计系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种物位计系统及其控制方法，特别涉及一种适用于工业自动化领域的雷达物位计系统及其控制方法。

背景技术

雷达物位计是通过测量发射和接收UWB(Ultra Wideband，又称为超宽带雷达波)脉冲的时间延迟来测量物液位高度的。物液位值H＝L-C*T/2，其中L为物料容器的长度，C为光速3×10⁸m/s，T为发收脉冲的延迟时间。雷达物位计多用来测量0-70M间物位高度，因此发收脉冲的延迟时间为NS级，如果直接处理需要采用专用高端DSP(数字信号处理)微处理器才可行，而且价格昂贵，功耗较大。而工业仪表多采用中低MCU控制器，基于ETS(EquivalentTime Sampling等效时间采样技术)和微功耗电路设计技术。时间放大技术关键是系统控制实现稳定的差频信号(通过差频转换成时间差信号)。时间放大后的回波信号经积分放大电路转换成幅度时间信号，然后再经过∑-△ADC(过采样型模拟信号到数字信号转换器)把幅度时间信号转换成数字信号，存放在外扩SRAM(静态随机存储器)中，MCU根据大量数据分析真实有效的回波，去除干扰、虚假回波信号。雷达物位计把测量得到的数据通过液晶显示器、4-20MA和HART接口等，同时也要接收用户的按按键信息，根据用户要求配置或输出各种信息。

雷达物位计在结构上根据是否与物料接触分为射空雷达(也叫自由空间雷达)和导波雷达，射空雷达根据发射信号原理分为调频连续波雷达和脉冲雷达。脉冲雷达物位计安装在料罐顶部，从雷达物液计天线沿自由空间向物料发射微波脉冲，微波脉冲传播到被测物料上，在物料表面上产生反射并返回到雷达天线上被接收，通过测量传播时间，根据微波脉冲的传播速度就能计算出物位。脉冲雷达物位计具有安装方便，微波脉冲不受温度、压力、蒸汽和粉尘等影响的优点。导波雷达物位计安装在料罐顶部，沿导波杆(或绳)向物料发射微波脉冲，微波脉冲传播到被测物料上，由于微波脉冲线路阻抗不匹配而产生反射脉冲，反射脉冲被仪表接收后，通过测量传播时间，根据微波脉冲的传播速度就能计算出物位。导波物液位计主要用于料罐空间狭小、物料介电常数低等场合。

雷达物位计的发展是从上个世纪80年达开始的，国际上具有代表性的公司有：VEGA(脉冲雷达)，Saab(调频雷达)，E+H公司，Emerson公司和KROHNE公司。他们在实时性方面都没有一个完全的论述，主要偏重于信号滤波处理、功能实现及虚假回波处理算法等。

在中低端单片机领域，系统程序一般采用顺序执行，一个程序执行完成后，接着执行另一个程序，未根据各个功能模块的特点，灵活地分配系统资源。导致设备某些功能有时反应慢，精度不高，功能单一，无法满足复杂工况等场合要求。

在高端嵌入式领域中多采用实时性强的操作系统(如μC/OS-II、Linux、Vxwork和WinCE等)来执行各个模块功能调度控制，但由于采用实时性操作系统对硬件要求较高，而且功耗也大。工业仪表多采用两线制4-20MA，其对系统整个功耗要求小于90mW，所以仪表的外围电路加上操作系统的功耗无法满足要求。

因此，特别需要一种雷达物位计系统及其控制方法，以解决上述现有存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雷达物位计系统及其控制方法，针对现有技术的不足，基于时间片控制调度算法实现了雷达物位计的设计与实现，同时满足了设备的实时性和可靠性。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一方面，本发明提供一种雷达物位计系统，其特征在于，它包括一主控制单元及与所述主控制单元相连接的显示单元、配置数据存储单元、按键处理单元、通信单元、4-20MA调制单元、复位单元、发射信号处理单元、回波信号采样处理单元和扩展单元。

在本发明的一个实施例中，所述按键处理单元为一I2C扩展专用集成芯片。

在本发明的一个实施例中，所述显示单元为一COG点阵液晶模块，所述COG点阵液晶模块上设置有I2C接口。

在本发明的一个实施例中，所述通信单元为一HART集成芯片，所述通信单元通过UART接口与所述主控制单元相连接。

在本发明的一个实施例中，所述扩展单元为一128K RAM芯片，所述扩展单元与所述主控制单元之间通过DMA方式互相通讯连接。

在本发明的一个实施例中，所述回波信号采集处理单元为一∑-△ADC集成芯片，所述回波信号采集处理单元与所述主控制单元之间通过I2C协议方式互相通讯连接。

在本发明的一个实施例中，所述复位单元为一看门狗模块。

另一方面，本发明提供一种雷达物位计系统的控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)主控制单元开启基准时钟计时器，根据每个单元的的功能特点分配其启始时间，并把运行周期长的、实时性稍低的单元划分成几个子单元，主控制单元的程序循环一周执行一次实时性强的单元，实时性稍低且运行时间长的单元分几次循环执行；

(2)主控制单元在DEBUG(调试)阶段评估各个单元的运行时间和实性时要求，然后确定系统基准时间周期和各个单元占用的时间片长度等信息；

(3)在划分时间片时，主控制单元根据每个单元功能需求设定不同的控制算法；

(4)主控制单元给每个需要执行的单元分配以下信息：单元编号指针、执行时间片长度变量、起始时间变量、函数参数指针及功能函数指针，并把这些信息放在时间缓冲池数组中；

(5)主控制单元循环一周，扫描一次时间缓冲池数组，根据系统时间、时间片参数和起始时间参数决定是否调用相关功能函数；

(6)相关单元执行完成后，主控制单元根据其要求收回其资源或分配下一次执行的时间片参数。

在本发明的一个实施例中，主控制单元通过定时器中断方式开启基准时钟计时器。

在本发明的一个实施例中，根据每个单元运行时间的长短，可重新调整基准时钟计时器的周期。

在本发明的一个实施例中，在扫描时间缓冲池数组时，主控制单元判断执行数据组中的子程序是否占用了太长的系统时间，如果是，那么主控制单元会提高剩余的未扫描的时间片数组中数据的优先级，下一轮扫描时，优先扫描上一轮未执行的数据。

本发明的雷达物位计系统及其控制方法，与现有技术相比，基于以上方法可用更多时间处理复杂的回波数据中数学运算部分，从而满足了系统的可靠性和实时性，达到准确测量的目的，实时响应速度快、测量及输出精度高，实现本发明的目的。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的雷达物位计系统的结构示意图；

图2为本发明的主控制单元的流程示意图；

图3为本发明的按键处理单元的流程示意图；

图4为本发明的时间片缓冲池扫面的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例

如图1所示，本发明的雷达物位计系统，它包括一主控制单元100及与所述主控制单元100相连接的显示单元110、配置数据存储单元120、按键处理单元130、通信单元140、4-20MA调制单元150、复位单元160、发射信号处理单元170、回波信号采样处理单元180和扩展单元190。

如图2、图3和图4所示，本发明的雷达物位计系统的控制方法，它包括如下步骤：

(1)主控制单元100开启基准时钟计时器，根据每个单元的的功能特点分配其起始时间，并把运行周期长的、实时性稍低的单元划分成几个子单元，主控制单元的程序循环一周执行一次实时性强的单元，实时性稍低且运行时间长的单元分几次循环执行；

(2)主控制单元100在DEBUG(调试)阶段评估各个单元的运行时间和实性时要求，然后确定系统基准时间周期和各个单元占用的时间片长度等信息；

(3)在划分时间片时，主控制单元100根据每个单元功能需求设定不同的控制算法；

(4)主控制单元100给每个需要执行的单元分配以下信息：单元编号指针、执行时间片长度变量、起始时间变量、函数参数指针及功能函数指针，并把这些信息放在时间缓冲池数组中；

(5)主控制单元100循环一周，扫描一次时间缓冲池数组，根据系统时间、时间片参数和起始时间参数决定是否调用相关功能函数；

(6)相关单元执行完成后，主控制单元100根据其要求收回其资源或分配下一次执行的时间片参数。

在本实施例中，主控制单元100通过定时器中断方式开启基准时钟计时器；中断溢出时间太短或太频繁，会影响对单元的运行处理；中断溢出时间太长，达不到划分时间片的意义，各个单元的实时性变差。

在本实施例中，根据每个单元运行时间的长短，可重新调整基准时钟计时器的周期。

在本实施例中，在扫描时间缓冲池数组时，主控制单元100判断执行数据组中的子程序是否占用了太长的系统时间，如果是，那么主控制单元100会提高剩余的未扫描的时间片数组中数据的优先级，下一轮扫描时，优先扫描上一轮未执行的数据。

本发明的雷达物位计系统的控制方法的具体设置如下：

按键处理单元130，对于工业传感器类仪表，按键处理单元130实时性的要求不是最高的，为节约系统I/O资源采用专用具有I2C接口功能远程I/O扩展控制集成电路方式，循环扫描查询方式。当按键没有被按下之前，主控制单元100执行一次主循环程序扫描一次按键信息；当按键被按下首次被检测到后，主控制单元100采用基于时间片的滤波控制算法，即开启一个基于系统时钟的20mS计时器，20mS后开启执行一次主循环程序扫描一次按键信息，然后把识别到按键标志返回给系统主控制单元100。基于此算法，主控制单元100不至于每循环一周就扫描一次按键信息。(参见图3)

显示单元110，为降低功耗、节约MCU I/O资源及显示更多信息，显示单元110采用带I2C接口无背光128*64COG点阵液晶模块。由于显示单元110需要显示的数据内容软多，所以采用高速I2C接口协议，时钟速率为3.4Mbit/s。

显示单元110的控制算法采用三种方式：(1)在系统空闲时间，间隔30S左右刷新一次整个液晶显示内容；(2)正在编辑中的数据闪烁控制算法，闪烁频率。0.5S；(3)根据系统要求实时显示部分数据。这种控制算法中前两种算法归并时间片数组中处理，第三种相关子程序调用控制。

主控制单元100基于系统基准时钟设定液晶显示内容刷新周期，编辑字符闪烁周期。

通信单元140，用户通过电脑或HART手持式终端设备通过HART通信协议可以设置或查看仪表测量参数和测试数据。在雷达物位计内部模块上，MCU主控制芯片通过UART协议与专用HART集成芯片与外部设备连接。

主控制单元100接收数据采用中断方式，当外面(如电脑或HART手持器)向仪表发送数据时，触发主控制单元100中UART接收数据寄存器，中断程序把寄存器中的数据存放在接收数据缓冲池数组中，主控制单元100循环一周扫描一次接收数据缓冲池数组，检查是否接收到一个完整的命令数据？如是接收到了一个完整的命令数据，主控制单元100将会根据命令执行相关操作。发送数据超时控制算法，超时重发间隔0.2S，超时次数三次，超时三次无应答数据，仪表显示错误代码信息。

4-20mA调制单元150，通过PWM方式把测量到的物液位值转换成4-20mA信号输出到DCS系统，为了达到系统精度要求，主控制单元100利用MCU内部的专用定时器模块中断方式输出PWM信号，输出PWM信号形式为固定周期不同占同比的PWM信号。通过调整不同的占空比控制输出4-20MA信号。

4-20mA调制单元150关系到传感器精度，所以实时性要求较高，主控制单元100专门为输出4-20mA信号开启一个定时器用于产生PWM信号。

配置数据存储单元120，主要用于保存传感器配置数据、厂家信息和软硬件版本等信息。在系统运行时，主控制单元100把用户输入配置信息保存在此存储单元中；在系统运行时，根据配置信息内容，控制相关电路及处理回波数据。

扩展单元190，用于存储大量回波采样数据，一个完整回波数据读取完成后，主控制单元100通过有效的滤波算法转换成物位值。由于主控制单元100与扩展单元190之间数据量非常大，所以采用DMA方式控制数据的读取。

发射信号处理单元170，本发明主要针对脉冲型雷达物位计，所以主控制单元100在发射信号处理单元170中主要处理两类信号：一类根据量程信息，主控制单元100基于时间片方式控制发送信号的周期与占空比；另一类等效时间放大技术中的差频信号实现的控制算法，差频信号检测采用外面I/O边沿中断方式实现，主控制单元100通过边沿中断方式计算差频信号的频率，然后通过PWM方式控制外部时钟电路使差频信号稳定在一个固定的频率上。

主控制单元100根据用户设定的量程信息，设定发射信号时序，并控制等效时间放大电路中的差频电路。

回波信号采样处理180采用专用的∑-△ADC集成芯片，主控制单元100通过I2C协议与∑-△ADC集成芯片连接，把取样到的数据通过DMA方式直接存储到扩展单元190中，采用过渡取样技术，取样周期基于I2C的时钟频率。在发送脉冲的间隔期，主控制单元100读取扩展单元190中的回波数据，执行特殊的软件滤波算法(这些算法包括有效回波的计算、概率统计分析、虚假回波识别、回波曲线数组、虚假回波曲线数组、输出走势曲线数组及包络线曲线数组等)，这些算法运用了大量的数据计算，也占用了大量系统资源，如果在一次主循环中执行完成，会使系统中的其它模块的实时性变差，因此本发明在软件DEBUG阶段，采用程序分块计时统计措施，分析出整个功能模块的运行时间，然后在RELEASE阶段把此功能模块分成几个子程序，使用在发送脉冲的间隔，在几次主循环中把此整个模块功能执行完成。

复位单元160采用外部看门狗复位电路，节约系统资源。复位单元160的溢出复位时间200MS，远大于主控制单元100循环执行一圈的时间，另外，由于看门狗喂狗程序只占用一个执令周期的操作时间，所以采用复位单元160执行一次主循环执行一次喂狗操作。

当主控制单元100出现死循环超过200MS时，可以复位主控制单元100。主控制单元100在200MS内复位系统，重新开始执行，保证系统出现特殊的干扰产生的死机问题。

本发明的雷达物位计系统及其控制方法通过实际产品测试实验发现达到了预期功能，实时响应速度快、测量及输出精度高。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种雷达物位计系统的控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)主控制单元开启基准时钟计时器，根据每个单元的的功能特点分配其起始时间，并把运行周期长的、实时性稍低的单元划分成几个子单元，主控制单元的程序循环一周执行一次实时性强的单元，实时性稍低且运行时间长的单元分几次循环执行；

(2)主控制单元在DEBUG(调试)阶段评估各个单元的运行时间和实性时要求，然后确定系统基准时间周期和各个单元占用的时间片长度等信息；

(3)在划分时间片时，主控制单元根据每个单元功能需求设定不同的控制算法；

(4)主控制单元给每个需要执行的单元分配以下信息：单元编号指针、执行时间片长度变量、起始时间变量、函数参数指针及功能函数指针，并把这些信息放在时间缓冲池数组中；

(5)主控制单元循环一周，扫描一次时间缓冲池数组，根据系统时间、时间片参数和起始时间参数决定是否调用相关功能函数；

(6)相关单元执行完成后，主控制单元根据其要求收回其资源或分配下一次执行的时间片参数。

2.如权利要求1所述的雷达物位计系统的控制方法，其特征在于，主控制单元通过定时器中断方式开启基准时钟计时器，根据每个单元运行时间的长短，可重新调整基准时钟计时器的周期。

3.如权利要求1所述的雷达物位计系统的控制方法，其特征在于，在扫描时间缓冲池数组时，主控制单元判断执行数据组中的子程序是否占用了太长的系统时间，如果是，那么主控制单元会提高剩余的未扫描的时间片数组中数据的优先级，下一轮扫描时，优先扫描上一轮未执行的数据。