微波輻射計(jì)是用微波進(jìn)行遙感,，從而對(duì)地物進(jìn)行探測(cè)的微波接收機(jī)，在探測(cè)大氣,、海洋、植被和土壤等方面有廣泛應(yīng)用,，而數(shù)據(jù)處理與控制單元作為微波輻射計(jì)的重要組成部分，承擔(dān)了所有的驅(qū)動(dòng)及控制功能,，對(duì)時(shí)序及精度要求十分嚴(yán)格。由于系統(tǒng)對(duì)可靠性要求較高,，故采用單片機(jī)作為220 GHz微波輻射計(jì)數(shù)控單元的核心,，通過(guò)精確的時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集,、天線控制,、狀態(tài)提取,、串口通信等功能,。同時(shí),，該數(shù)控單元具有功耗低，采樣精度高,，接口簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
微波輻射計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,，由檢波器輸出的模擬信號(hào)通過(guò)數(shù)控單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及傳輸、顯示與數(shù)據(jù)處理等功能,，并對(duì)系統(tǒng)時(shí)序,、上下電等進(jìn)行控制，在輻射計(jì)的設(shè)計(jì)中處于重要位置,。
1．1 數(shù)控單元硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由單片機(jī),、高速A／D轉(zhuǎn)換器、程序存儲(chǔ)器ROM,、高速靜態(tài)RAM,、讀寫(xiě)控制電路,、通信電路等部分組成,，如圖2所示,。通過(guò)鎖存器實(shí)現(xiàn)地址總線和數(shù)據(jù)總線的復(fù)用，同時(shí),，RAM的讀寫(xiě)由讀寫(xiě)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn),。
數(shù)控單元采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)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(shí)采用AT28C256擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器ROM為256 KB,，IDT71256擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM為256 KB,，通過(guò)鎖存器54HC573進(jìn)行分時(shí)復(fù)用。
數(shù)據(jù)采集部分采用AD公司的16位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD976A,，采樣速率可達(dá)200 KSPS,。該高速A／D采用電荷重分布技術(shù)進(jìn)行逐次逼近型模／數(shù)轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)控精度要求,。
AT89C51串行口輸出為T(mén)TL電平。為使其與PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)RS 232串口通信,，系統(tǒng)選用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片,。
1．2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1．2．1 數(shù)據(jù)采集
單片機(jī)初始化完畢后，通過(guò)片選信號(hào)選中A／D轉(zhuǎn)換器,，把RAM的控制權(quán)交給采集電路,。AD976A進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，置CS引腳固定為低電平,，則轉(zhuǎn)換時(shí)序由 R／C信號(hào)的下降沿控制,，信號(hào)脈沖寬度至少為50 ns。當(dāng)R／C變?yōu)榈碗娖綍r(shí),，BUSY信號(hào)也變?yōu)榈碗娖?，?biāo)志轉(zhuǎn)換結(jié)束,，則移位府存器中的數(shù)據(jù)被更新的二進(jìn)制補(bǔ)碼替代,。設(shè)計(jì)中，由于256 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)交替工作,。當(dāng)A15低電平時(shí),，選通數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器IDT71256，此時(shí)CS為高電平,，則AD976A停止工作,；當(dāng)A15為高電平時(shí)，通過(guò)與非邏輯電路使CS為低電平，選通AD976A,，并通過(guò)WR 的變化提供R／C下降沿,，這樣可以通過(guò)軟件延時(shí)精確控制采樣率。
1．2．2 總線控制
在數(shù)控單元硬件結(jié)構(gòu)中,，采用P0口提供數(shù)據(jù)總線和地址總線,，當(dāng)ALE輸出信號(hào)為高電平時(shí)，P0口,，輸出數(shù)據(jù)鎖存入總線驅(qū)動(dòng)器中地址的低8位,，同時(shí)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(zhuǎn)換器把采集到的數(shù)據(jù)存入靜態(tài)RAM中,。由于P0口是數(shù)據(jù)與地址分時(shí)復(fù)用口，因此引進(jìn)74HC573作為地址鎖存器,。同時(shí),，使用 RD作為讀取外部數(shù)據(jù)內(nèi)存的控制線；WR作為寫(xiě)入數(shù)據(jù)到外部?jī)?nèi)存的控制線,；PSEN作為存取外部程序存儲(chǔ)器的讀取控制線,。
1．2．3 電機(jī)控制電路
天線驅(qū)動(dòng)控制部分通過(guò)上位機(jī)發(fā)送電機(jī)啟動(dòng)命令，單片機(jī)從串口接收到啟動(dòng)命令后,，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器AKS230發(fā)出節(jié)拍脈沖,，以帶動(dòng)天線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)編程控制P1．0口輸出節(jié)拍脈沖速率,，即可控制天線轉(zhuǎn)速,。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出停止命令時(shí)，通過(guò)單片機(jī)程序提取天線狀態(tài),，保證天線啟停處于同一位置,。考慮到單片機(jī)輸出電流與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的匹配問(wèn)題Ⅲ,，這里使用總線驅(qū)動(dòng)器74LS245與單片機(jī)相連,，輸出電流可達(dá)20 mA，滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求,。
1．2．4 串口通信電路
串口通信部分通過(guò)AT89C51內(nèi)部的全雙工串行通信接口RXD和TXD進(jìn)行發(fā)送和接收,。AT89C51串行接口有四種工作模式，本設(shè)計(jì)中,，串口工作于方式1,，波特率可變，通過(guò)定時(shí)器T1進(jìn)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(guò)計(jì)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(zhuǎn)換,。
2 軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)軟件部分采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，按照功能分為數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ),、電機(jī)運(yùn)行控制及狀態(tài)提取,、串口發(fā)送與接收幾部分，各個(gè)模塊之間通過(guò)中斷或子程序調(diào)用等進(jìn)行連接,，有機(jī)地成為一體,，整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)使用Medwin 3.0調(diào)試并能夠成功運(yùn)行。
數(shù)據(jù)采集部分包括初始化,、信號(hào)采集及存儲(chǔ),，采集速率通過(guò)編程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)每10 ms采樣一個(gè)電壓值,，并存人0100H～01C8H的地址空間中,，采集100個(gè)數(shù)據(jù)后調(diào)用中斷通過(guò)串口傳給上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。每次系統(tǒng)上電時(shí),，采集部分復(fù)位并從頭運(yùn)行,，數(shù)據(jù)采集部分程序流程圖如圖3所示。
電機(jī)運(yùn)行控制部分通過(guò)中斷接收串口命令,，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確啟動(dòng)和停止,，從而控制天線的掃描狀態(tài)，當(dāng)串口發(fā)送5500h時(shí)電機(jī)停止,；當(dāng)發(fā)送 55ffh時(shí)電機(jī)啟動(dòng),。其重點(diǎn)在于精確讀取天線的轉(zhuǎn)角狀態(tài)，保證電機(jī)啟動(dòng)和停止處于同一位置,。主要通過(guò)軟件計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),，由于電機(jī)步進(jìn)角為1．8°且采用 32細(xì)分，則每轉(zhuǎn)一圈步數(shù)為：360°／(1．8°／32)=*00步,，通過(guò)讀取計(jì)數(shù)值,，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)停止位置的控制。電機(jī)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(guò)發(fā)送標(biāo)志TI和接收標(biāo)志RI判斷中斷類型,，若為接收中斷，則接收上位機(jī)命令,，控制電機(jī)啟動(dòng)和停止,；若為發(fā)送中斷，則實(shí)現(xiàn)每次間隔1 s向上位機(jī)發(fā)送100個(gè)電壓值，即200個(gè)字節(jié),。其中,，串口通信部分流程圖如圖5所示。
3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件主要通過(guò)C#實(shí)現(xiàn),，通過(guò)調(diào)用串口實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制及數(shù)據(jù)的后續(xù)處理,，并能夠?qū)崟r(shí)顯示采集數(shù)據(jù)波形并保存。界面如圖6所示,。
4 結(jié) 語(yǔ)
單片機(jī)控制簡(jiǎn)便,，接口方便，實(shí)時(shí)性強(qiáng),?；谶@些優(yōu)勢(shì)，該文設(shè)計(jì)的微波輻射計(jì)數(shù)控單元不僅能夠精確控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),，控制天線啟,、停，而且能夠在天線接收外界信號(hào)的同時(shí),，對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,、采集、通信并顯示輸出,，實(shí)時(shí)地反映信號(hào)的變化和被觀測(cè)目標(biāo)的特性,，通過(guò)使用低功耗的16位A／D提高了轉(zhuǎn)換精度，且速度可調(diào),，完全滿足微波輻射計(jì)的系統(tǒng)要求,，在實(shí)時(shí)觀測(cè)方面具有廣泛應(yīng)用。