CN104006865A - 雷达液位测量数据处理系统 - Google Patents

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陈秀伟
张文鑫
刘小军
柳青
赵博
张锋
李俊
方广有
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Institute of Electronics of CAS
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Institute of Electronics of CAS
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Abstract

本发明提供了一种雷达液位测量数据处理系统。该雷达液位测量数据处理系统包括：模/数转换模块和FPGA芯片。其中，数据预处理模块、数据缓存模块和数据处理模块都在FPGA上实现，其中数据处理模块采用FPGA的MICROBLAZE32位软核实现，实现了系统核心模块的无缝链接，使液位计数据处理能够满足实时性需求，进而也使液位计能充分发挥快速、精确的测量功能。

Description

雷达液位测量数据处理系统
技术领域
本发明涉及电气电子行业数据信号处理技术领域，尤其涉及一种雷达液位测量数据处理系统。
背景技术
随着工业的快速发展，物料的料位参数在工业自动化控制和管理工作中变得越来越重要，诸如钢铁行业、化学行业、船舶航空运输业等领域都需要实时测量物料的料位。通过物料料位参数的监测可以有效地进行工业化操作和科学管理。雷达液位计属于非接触式测量仪表，能够在易燃、易爆、易挥发、高粘度、高毒性、高温、高压、强腐蚀性等恶劣环境中完成测量任务。雷达液位计工作模式通常有脉冲方式和调频连续波方式，调频连续波液位计由于其机理简单、硬件结构复杂度低等优点被广泛应用。
随着现代工业的发展，对雷达液位测量数据实时性处理的要求越来越高，目前的雷达液位测量数据处理系统不能够满足实时性要求。同时，由于数据处理算法的不断改进，需要经常对软件系统进行升级，而目前硬件实现的液位数据处理系统并不能实现轻松升级，造成使用、维护成本较高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种雷达液位测量数据处理系统，以提高雷达液位测量数据实时性处理的水平。
(二)技术方案
本发明雷达液位测量数据处理系统包括：模/数转换模块200和FPGA芯片300。模/数转换模块200，用于接收液位计系统的输出信号经过混频器后生成的中频回波数据，将该模拟形式的中频回波数据转换为数字形式的回波数据；回波数据预处理模块310，集成于FPGA芯片300上，与模/数转换模块200相连接，用于对模/数转换模块200输出的回波数据进行预处理；数据缓存模块320，集成于FPGA芯片300上，用于缓存预处理后的回波数据，在FIFO队列填满后，产生中断触发信号，并该回波数据被读取后，继续缓存预处理后的回波数据；以及数据处理模块330，由集成于FPGA芯片上MICROBLAZE软核实现，用于响应数据缓存模块的中断触发信号，读取数据缓存模块中的回波数据，将其存储于该MICROBLAZE软核的IRAM中，而后对IRAM中的雷达回波数据进行测距处理，并将测距处理后的结果发送出去。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明雷达液位测量数据处理系统具有以下有益效果：
(1)数据预处理模块、数据缓存模块和数据处理模块都在FPGA上实现，其中数据处理模块采用FPGA的MICROBLAZE32位软核实现，实现了系统核心模块的无缝链接，使液位计数据处理能够满足实时性需求，进而也使液位计能充分发挥快速、精确的测量功能；
(2)在FPGA上实现的数据预处理和核心处理器均是可编程的，所以便于后续的改版和升级。
附图说明
图1为根据本发明实施例雷达液位测量数据处理系统的结构示意图。
【主要元件符号说明】
100-供电装置；
200-模/数转换模块；
300-FPGA芯片；
310-数据预处理模块；
311-滤波子模块；  312-编码子模块；
320-数据缓存模块；
330-数据处理模块；
331-回波数据处理子模块；  332-处理器外围接口协议子模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于可编程逻辑芯片(Field programmable GateArray，简称FPGA)的雷达液位测量数据处理系统，其中核心处理器采用FPGA的MICROBLAZE32位软核实现，从而使液位计数据处理能够满足实时性需求。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种雷达液位测量数据处理系统。图1为根据本发明实施例雷达液位测量数据处理系统的结构示意图。如图1所示，本实施例雷达液位测量数据处理系统包括：模/数转换模块200和FPGA芯片300，
模/数转换模块200，用于接收液位计系统的发射信号经过混频器后生成的中频回波数据，将该模拟形式的中频回波数据转换为数字形式的回波数据；
回波数据预处理模块310，集成于所述FPGA芯片300上，与模/数转换模块200相连接，用于对模/数转换模块200输出的回波数据进行预处理；
数据缓存模块320，集成于所述FPGA芯片300上，用于采用先进先出队列(First Input First Output，简称FIFO)方式缓存预处理后的回波数据，在FIFO队列填满后，产生中断触发信号，并在FIFO队列中的数据被读取后，继续缓存由回波数据预处理模块输出的预处理后的回波数据；
数据处理模块330，由集成于所述FPGA芯片上MICROBLAZE软核实现，用于响应数据缓存模块的中断触发信号，读取数据缓存模块中的回波数据，并把该回波数据存储于MICROBLAZE软核的IRAM中，而后对IRAM中的雷达回波数据进行测距处理，并将测距处理后的结果发送出去。
可见，本实施例中，数据预处理模块310、数据缓存模块320和数据处理模块330都在FPGA上实现，实现了系统核心模块的无缝链接，此外，数据处理模块330采用FPGA的MICROBLAZE软核实现，使液位计数据处理能够满足实时性需求。
以下分别对本实施例雷达液位测量数据处理系统的各个组成部分进行详细说明。
模/数转换模块200设置于FPGA芯片300外，其可以是各种的模数转换装置，本发明并不对模/数转换模块200的实现方式和具体型号进行限制。
回波数据预处理模块310集成于FPGA芯片300上。从实现的功能是区分，该回波数据预处理模块可以包括：滤波子模块311，用于通过采用离散数字滤波处理装置实现信号的低通滤波处理；以及编码子模块312，用于对低通滤波处理后的回波数据进行编码，以符合后续数据处理模块330对编码格式的要求。其中，编码子模块对回波数据进行编码的操作可以包括：抽取、合并和排序以及回波数据累加。
数据处理模块330由集成于所述FPGA芯片上MICROBLAZE32bit软核实现。该数据处理模块300进一步可以包括：回波数据处理子模块331和处理器外围接口协议子模块332，当MICROBLAZE软核响应中断触发信号后，回波数据处理子模块331通过DMA方式读取数据缓存模块320中的回波数据，把回波数据缓存在软核的IRAM中，然后对IRAM中的雷达回波数据进行测距处理。对回波数据处理完成后，处理器外围接口协议子模块332对处理结果进行串口RS232数据格式转换，实时地把测量结果发送给终端，实现显示和监测等功能。
除了上述各个功能模块之外，本实施例雷达液位测量数据处理系统还包括供电装置100。该供电装置100向整个系统供电，其输入电压为24伏直流电，通过直流电压转换为雷达液位测量数据处理系统各部分所需要的各种电源电压，系统消耗的总电源功率约为10瓦左右。优选地，该供电装置采用开关电源模块实现电源电压的转换。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明雷达液位测量数据处理系统有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本发明提雷达液位测量数据处理系统通过将核心模块-数据预处理模块、数据缓存模块和数据处理模块都在FPGA上实现，其中数据处理模块采用FPGA的MICROBLAZE32位软核实现，实现了系统核心模块的无缝链接，使液位计数据处理能够满足实时性需求，进而也使液位计能充分发挥快速、精确的测量功能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，包括：模/数转换模块(200)和FPGA芯片(300)，其中：
模/数转换模块(200)，用于接收液位计系统的输出信号经过混频器后生成的中频回波数据，将该模拟形式的中频回波数据转换为数字形式的回波数据；
回波数据预处理模块(310)，集成于所述FPGA芯片(300)上，与所述模/数转换模块(200)相连接，用于对所述模/数转换模块(200)输出的回波数据进行预处理；
数据缓存模块(320)，集成于所述FPGA芯片(300)上，用于缓存预处理后的回波数据，在被回波数据填满后，产生中断触发信号；并在该回波数据被读取后，继续缓存预处理后的回波数据；以及
数据处理模块(330)，由集成于所述FPGA芯片上MICROBLAZE软核实现，用于响应数据缓存模块的中断触发信号，读取数据缓存模块中的回波数据，将其存储于该MICROBLAZE软核的IRAM中，而后对IRAM中的雷达回波数据进行测距处理，并将测距处理后的结果发送出去。
2.根据权利要求1所述的雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，所述MICROBLAZE软核为32bit的MICROBLAZE软核。
3.根据权利要求1所述的雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，所述数据处理模块(330)包括：
回波数据处理子模块(331)，用于响应数据缓存模块的中断触发信号，读取所述数据缓存模块(320)中的回波数据，把回波数据缓存在MICROBLAZE软核的IRAM中，然后对IRAM中的雷达回波数据进行测距处理；以及
处理器外围接口协议子模块(332)，用于对测距处理后结果进行数据格式转换，实时地把测量结果发送给外界。
4.根据权利要求3所述的雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，所述回波数据处理子模块(331)通过DMA方式读取数据缓存模块320中的回波数据。
5.根据权利要求3所述的雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，所述处理器外围接口协议子模块(332)对测距处理后结果进行串RS232数据格式转换。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，所述数据缓存模块(320)采用先进先出队列FIFO方式缓存预处理后的回波数据。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，所述回波数据预处理模块(310)包括：
滤波子模块(311)，用于通过采用离散数字滤波方式实现信号的低通滤波处理；以及
编码子模块(312)，用于对进行低通滤波处理后的回波数据进行编码，以符合数据处理模块(330)对编码格式的要求。
8.根据权利要求7所述的雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，所述编码子模块(312)对回波数据进行编码的操作包括：抽取、合并和排序以及回波数据累加。
9.根据权利要求7所述的雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，所述编码子模块(312)根据频谱细化算法或CZT算法实现待测回波数据的时间校正，消除回波数据的干扰。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的雷达液位测量数据处理系统，其特征在于，还包括：
供电装置(100)，用于将输入的直流电通过开关电源的方式进行电压转换，为所述模/数转换模块(200)和FPGA芯片(300)供电。
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