基于CPLD的料位检测系统的设计

黄齐超，王景存，朱思彪

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉430081）

目前，我国农业发展存在着劳动生产率低、生产成本高、土地产出率低、资源利用率低和国际竞争力不强等问题，而农业机械化水平不高是导致问题产生的根本原因之一，依靠信息技术提高农业机械化水平是解决这些问题的重要途径[1]。

施肥作业是农业生产过程中一个重要的环节。当肥料箱出现肥料排空时，会发生漏施现象，容易造成农作物减产，引起农业生产损失[2]。因人工检测法存在检测不及时等诸多弊端，所以设计肥料箱料位电子测量装置是非常必要的。目前国内有对料位检测传感器的研究，但系统的肥料箱料位检测方案尚不完善。基于此，设计了料位检测系统，并采用复杂可编程逻辑器件CPLD 作为主控芯片。CPLD 的引入，避免了用单片机易受干扰等情况的发生，提高了系统的可靠性。这一方案对提高农机信息化和精准化具有重要意义。

1 肥料箱料位检测系统介绍

在肥料箱料位检测系统工作过程中，电容式传感器将肥料箱料位高低变化转换为电容值的变化，再经电容电压转换电路转换成电压值，经双带通滤波电路和A/D 转换电路后由CPLD 获取料位数字信号，CPLD 处理后将信号输送给电流输出、显示及报警灯模块。系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

料位检测系统以CPLD 为控制系统，与系统其它部分进行实时通信，完成参数控制、信号处理、输出控制等功能。CPLD 获取AD 值后，通过逻辑将其转换为对应料位值并送往电流及显示模块，将对应料位值在电流表和显示屏上显示出来，并在料位（即剩余量百分比）低于5%时控制报警灯闪烁。系统选用AD7710 作为A/D 转换模块的芯片。该芯片精度高，具有系统校准、自校准等多种校准模式，且允许用户读写校准、控制寄存器，这使得系统对A/D转换模块具有更强的控制能力，保证了A/D 转换的精度。

2 电容传感器检测原理

利用空气与颗粒化肥的介电常数不同，可设计出电容式料位传感器。平行极板电容传感器的一个极板安装在在肥料箱一侧内壁上，另一极板安装在对面一侧内壁。当料位变化时，空气与颗粒化肥的混合比例发生变化，导致电容率改变，从而引起电容传感器输出电容值变化[3]。

平行板电容C 为

式中：ε0为真空介电常数；εr为相对介电常数；S 为两平行板间相对覆盖面积；d 为两平行板间距离。

当料位下降时，传感器的介电常数ε 为

式中：ε1，ε2分别为颗粒化肥和空气的相对介电常数；V1，V2分别为颗粒化肥和空气所占的体积；V 为电容传感器两极板间的总体积；h1，h2分别为肥料箱中肥料和空气的高度；h 为肥料箱装料部分的总高度。

当肥料箱中充满颗粒化肥时的电容C0为

当料位下降Δh 时，电容变化量ΔC 为

由以上公式可知，电容传感器输出电容值与料位高度成线性关系。通过实时获取传感器的输出电容信号，可以实现肥料箱料位的在线检测。

3 硬件设计

3.1 CAV444 电容电压转换电路

对于电容传感器输出电容的测量，采用恒流源对电容器充电的方式，存在电荷泄露的问题，杂散电容对其影响较大，无法保证测量精度。CAV444线性电容电压转换芯片是一种高性能的电容电压转换集成芯片，使用简单，测量范围大（最大可达2200 pF）。设计CAV444 电容电压转换电路可实现传感器输出电容的高精度测量，其转换电路如图2所示。

图2 电容电压转换电路Fig.2 Capacitor-voltage conversion circuit

CAV444 用恒定的电流对Cm进行周期性地充放电，产生一个振幅为常数的三角波。这个三角波的频率，也就是测量振荡器的频率fm。fm是与被测电 容Cm相 关的[4]。

借助于f/V 频率电压转换电路和低通滤波器将三角波转换成直流电压信号，该信号通过输出级的阻抗转换和放大成为电压输出信号。传递函数为

其中

式中：Cm，max为设定测量电容范围的最大值；R2，R4，R5为固定电阻；R1为满度调准电阻；R3为零点调准电阻。由式可知，输出的差分电压信号与测量电容Cm成线性关系。

3.2 滤波及A/D 转换电路

在肥料箱料位检测过程中，无论在转换前、转换时还是转换完成进入探测系统后，都会有噪声存在。料位检测过程中的噪声来源主要包括传感器本身的噪声、测量时待测信号本身不稳定，或是由于周围环境的影响造成的信号扰动，以及测量电路内部引入的电路噪声。为了在提取料位信号的过程中尽量减少干扰信号和噪声，在此将基于MAX261 的低通滤波加入电路中，滤波及A/D 转换电路如图3所示。

图3 滤波及A/D 转换电路Fig.3 Filter and A/D conversion circuit

MAX261 为CMOS 双二阶通用开关电容有源滤波器，可以采用微处理器控制其精确滤波函数，无需外围元件即可构成多种带通、低通、高通、带阻全通滤波器，其内部含有2 个二阶滤波单元，每个单元中心频率、Q 值和滤波器工作模式均可由CPLD 控制。

3.3 控制电路

CPLD 选用Altera 公司的MAX7000 系列的EPM7128STC100-6。EPM7128S 有2500 个可用门、128 个宏单元、8 个逻辑阵列模块，80 个用户I/O 引脚，引脚间逻辑延迟为5 ns，并可通过JTAG 接口实现在线编程。

图中，在每个WR 的低电平MAX261 接收数据；A0—A3 为地址位；D0—D1 为数据位。整个通信过程MAX261 接收了16 次有效数据。

图4 MAX261 时序图Fig.4 MAX261 sequence diagram

CPLD 通过与AD7710 通信，获取料位的AD 采样值后，将AD 采样值转换成与实际料位相对应的电流值数字信号。此外，CPLD 还可将数据写入AD7710 的控制寄存器，启动AD7710 的自校准和系统校准； 通过读写校准寄存器来监控和校正AD7710 的校准系数。CPLD 与AD7710 的通信逻辑图如图5所示。

图5 AD7710 时序图Fig.5 AD7710 sequence diagram

图中，SCLK 和SDATA 为时钟信号线和数据线；A0 为数据寄存器、校准寄存器和控制寄存器的控制线；TFS 为帧同步传输端；RFS 为帧同步接收端；DRDY 为逻辑输出端。

CPLD 通过SPI 接口控制AD420 实现电流输出。CPLD 与AD420 的通信逻辑图如图6所示。图中，CLK 和DATA 为时钟线和数据线；LOAD 为选择线。

图6 输出电流时序图Fig.6 Output current sequence diagram

3.4 电流输出电路

CPLD 将软件部分计算出的电流数字信号输出给AD420。AD420 是一款高精度、低功耗全数字电流环输出转换器，它将输入的电流值数字信号转换为电流输出。该芯片具有灵活的串行数字接口（最大速率可达3.3 Mb/s），抑制干扰能力强。

AD420 的输出可以是电流信号0～20 mA，4～20 mA 或0～24 mA，也可以是电压信号，可通过配置引脚Range Select1 和Range Select2 的高低电平来设置其输出类型。料位检测系统在肥料箱快排空时，需要由直观的电流值反映出来，故可选择0～20 mA的输出，则Range Select1 电平为低，Range Select2电平为高。其电流输出电路如图7所示。

图7 电流输出电路Fig.7 Current output circuit

4 试验结果与分析

对肥料箱进行排空试验，获取料位的AD 采样值。其中，料位用剩余量百分比表示，AD7710 设置为双极性输入模式，16 位数字输出。试验数据见表1，料位与AD 采样值的关系曲线如图8所示。

表1 料位与AD 采样值的关系Tab.1 Material level and AD sampling value

图8 料位值与AD 采样值关系Fig.8 Material level and AD sampling value

由图可见，料位电容传感器存在一定的非线性误差。故软件部分将AD7710 值转换为实际料位值时，需要进行线性化处理；将测量料位值转化为输出电流值。

线性化后，测得试验数据和误差见表2。由表可知，线性化后的误差小于2.5%，该系统有较高的检测精度。

表2 实测料位与误差Tab.2 Measured material level and error

5 结语

基于电容传感器设计了一款用于检测肥料箱料位的高精度检测系统，该检测系统可以将料位值实时的显示在驾驶室的液晶显示屏上，并在料位值低于5%时使报警灯闪烁，该系统可以实现肥料箱料位的在线检测及预警。系统采用高精度可编程A/D 转换芯片，对校准过程有较强的控制能力；CPLD 控制滤波芯片参数，使系统对不同的使用环境有更强的适应能力。