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(tǒng)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(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)由單片機、高速A／D轉換器,、程序存儲器ROM,、高速靜態(tài)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(tǒng)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?yōu)榈碗娖綍r，BUSY信號也變?yōu)榈碗娖?，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(tài)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(fā)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(fā)出節(jié)拍脈沖，以帶動天線勻速轉動,；通過編程控制P1．0口輸出節(jié)拍脈沖速率,，即可控制天線轉速。當上位機發(fā)出停止命令時,，通過單片機程序提取天線狀態(tài),，保證天線啟停處于同一位置?？紤]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(fā)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(tài)提取,、串口發(fā)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(tǒng)已經使用Medwin 3.0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(xù)處理,。每次系統(tǒng)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(tài),，當串口發(fā)送5500h時電機停止；當發(fā)送 55ffh時電機啟動,。其重點在于精確讀取天線的轉角狀態(tài),，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)=*00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(fā)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(fā)送中斷，則實現每次間隔1 s向上位機發(fā)送100個電壓值,，即200個字節(jié),。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(xù)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(yōu)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(tài),，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(tǒng)要求，在實時觀測方面具有廣泛應用,。