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微波輻射計是用微波進行遙感，從而對地物進行探測的微波接收機，在探測大氣、海洋、植被和土壤等方面有廣泛應用，而數據處理與控制單元作為微波輻射計的重要組成部分，承擔了所有的驅動及控制功能，對時序及精度要求十分嚴格。由于系統對可靠性要求較高，故采用單片機作為220 GHz微波輻射計數控單元的核心，通過精確的時序控制，實現了數據采集、天線控制、狀態提取、串口通信等功能。同時，該數控單元具有功耗低，采樣精度高，接口簡便等特點。 1 系統結構 微波輻射計結構框圖如圖1所示，由檢波器輸出的模擬信號通過數控單元實現數據采集及傳輸、顯示與數據處理等功能，并對系統時序、上下電等進行控制，在輻射計的設計中處于重要位置。 1．1 數控單元硬件結構 系統由單片機、高速A／D轉換器、程序存儲器ROM、高速靜態RAM、讀寫控制電路、通信電路等部分組成，如圖2所示。通過鎖存器實現地址總線和數據總線的復用，同時，RAM的讀寫由讀寫控制電路來實現。 數控單元采用Atmel公司的AT89C51單片機作為控制器，具有4 KB閃存ROM，128 B RAM，支持電擦除1 000次，選擇工作頻率為11．059 6 MHz。同時采用AT28C256擴展程序存儲器ROM為256 KB，IDT71256擴展數據存儲器RAM為256 KB，通過鎖存器54HC573進行分時復用。 數據采集部分采用AD公司的16位并行模數轉換器AD976A，采樣速率可達200 KSPS。該高速A／D采用電荷重分布技術進行逐次逼近型模／數轉換，因而不必外加采樣保持器。電壓輸入范圍為-10～+10V，分辨率高，可做到16位不失碼，滿足微波輻射計數控精度要求。 AT89C51串行口輸出為TTL電平。為使其與PC機標準RS 232串口通信，系統選用MAX232電平轉換芯片。 1．2 硬件設計與實現 1．2．1 數據采集 單片機初始化完畢后，通過片選信號選中A／D轉換器，把RAM的控制權交給采集電路。AD976A進行數據采集時，置CS引腳固定為低電平，則轉換時序由 R／C信號的下降沿控制，信號脈沖寬度至少為50 ns。當R／C變為低電平時，BUSY信號也變為低電平，標志轉換結束，則移位府存器中的數據被更新的二進制補碼替代。設計中，由于256 KB數據存儲器僅需要15位地址A0～A14，則使用A15與RD，WR共同作為控制線，使A／D轉換與數據存儲交替工作。當A15低電平時，選通數據存儲器IDT71256，此時CS為高電平，則AD976A停止工作；當A15為高電平時，通過與非邏輯電路使CS為低電平，選通AD976A，并通過WR 的變化提供R／C下降沿，這樣可以通過軟件延時精確控制采樣率。 1．2．2 總線控制 在數控單元硬件結構中，采用P0口提供數據總線和地址總線，當ALE輸出信號為高電平時，P0口，輸出數據鎖存入總線驅動器中地址的低8位，同時和P2口送出的高8位地址組成完整的16位地址，尋址到外部的256 KB地址空間，由A／D轉換器把采集到的數據存入靜態RAM中。由于P0口是數據與地址分時復用口，因此引進74HC573作為地址鎖存器。同時，使用 RD作為讀取外部數據內存的控制線；WR作為寫入數據到外部內存的控制線；PSEN作為存取外部程序存儲器的讀取控制線。 1．2．3 電機控制電路 天線驅動控制部分通過上位機發送電機啟動命令，單片機從串口接收到啟動命令后，向電機驅動器AKS230發出節拍脈沖，以帶動天線勻速轉動；通過編程控制P1．0口輸出節拍脈沖速率，即可控制天線轉速。當上位機發出停止命令時，通過單片機程序提取天線狀態，保證天線啟停處于同一位置。考慮到單片機輸出電流與電機驅動電流的匹配問題Ⅲ，這里使用總線驅動器74LS245與單片機相連，輸出電流可達20 mA，滿足電機驅動要求。 1．2．4 串口通信電路 串口通信部分通過AT89C51內部的全雙工串行通信接口RXD和TXD進行發送和接收。AT89C51串行接口有四種工作模式，本設計中，串口工作于方式1，波特率可變，通過定時器T1進行溢出率控制，令T1工作于方式2，由于波特率為(2SMOD／32)·(fOSC／12)·[1／(28- TH1)]，則通過計算可得T1裝載值為0xFA，波特率為9 600 b／s。這里選用MAX232完成TTL到EIA的電平轉換。 2 軟件設計 單片機軟件部分采用了模塊化的設計方法，按照功能分為數據采集及存儲、電機運行控制及狀態提取、串口發送與接收幾部分，各個模塊之間通過中斷或子程序調用等進行連接，有機地成為一體，整個系統已經使用Medwin 3．O調試并能夠成功運行。 數據采集部分包括初始化、信號采集及存儲，采集速率通過編程進行控制，實現每10 ms采樣一個電壓值，并存人0100H～01C8H的地址空間中，采集100個數據后調用中斷通過串口傳給上位機進行后續處理。每次系統上電時，采集部分復位并從頭運行，數據采集部分程序流程圖如圖3所示。 電機運行控制部分通過中斷接收串口命令，以實現電機的精確啟動和停止，從而控制天線的掃描狀態，當串口發送5500h時電機停止；當發送55ffh時電機啟動。其重點在于精確讀取天線的轉角狀態，保證電機啟動和停止處于同一位置。主要通過軟件計數來實現，由于電機步進角為1．8°且采用32細分，則每轉一圈步數為：360°／(1．8°／32)=6 400步，通過讀取計數值，實現對電機啟動停止位置的控制。電機控制部分程序流程圖如圖4所示。 串口通信部分采用中斷方式，包括串口初始化和串口傳輸兩部分，通過發送標志TI和接收標志RI判斷中斷類型，若為接收中斷，則接收上位機命令，控制電機啟動和停止；若為發送中斷，則實現每次間隔1 s向上位機發送100個電壓值，即200個字節。其中，串口通信部分流程圖如圖5所示。 3 上位機軟件設計 上位機軟件主要通過C#實現，通過調用串口實現對下位機的控制及數據的后續處理，并能夠實時顯示采集數據波形并保存。界面如圖6所示。 4 結 語 單片機控制簡便，接口方便，實時性強。基于這些優勢，該文設計的微波輻射計數控單元不僅能夠精確控制天線轉動狀態，控制天線啟、停，而且能夠在天線接收外界信號的同時，對信號進行轉換、采集、通信并顯示輸出，實時地反映信號的變化和被觀測目標的特性，通過使用低功耗的16位A／D提高了轉換精度，且速度可調，完全滿足微波輻射計的系統要求，在實時觀測方面具有廣泛應用。 |
