基于FPGA的微波輻射計(jì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 重點(diǎn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了863項(xiàng)目“南海深水區(qū)動(dòng)力環(huán)境立體檢測技術(shù)研發(fā)”中5頻段微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，以Xilinx公司Virtex-4系列FPGA為核心，包括數(shù)據(jù)采集、AGC自動(dòng)增益控制、系統(tǒng)開關(guān)控制、數(shù)據(jù)通信等模塊，精確滿足了系統(tǒng)要求，同時(shí)給出了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、關(guān)鍵模塊邏輯圖及軟件流程圖。
關(guān)鍵詞： 微波輻射計(jì)；FPGA；數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通信

微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式的微波遙感器，用于全天時(shí)、全天候地觀測全球大氣溫度和濕度、降雨量等空間氣象資料，在全球性水文循環(huán)探測、地質(zhì)與資源調(diào)查、海洋環(huán)境與海況檢測、災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)與檢測等研究中發(fā)揮了重要作用。由于微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式的遙感器，其靈敏度要求很高，同時(shí)，由于當(dāng)今遙感儀器的設(shè)計(jì)越來越趨于高功能密度及小型化，因此，要求多通道微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)具有高可靠性、高分辨率、實(shí)時(shí)性好、體積小、重量輕、功耗低以及可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。以往多數(shù)微波輻射計(jì)數(shù)控系統(tǒng)中采用的以80C31為核心的設(shè)計(jì)，由于受微處理器芯片和外圍電路的限制，擴(kuò)展性差，所占體積較大，且需要多塊電路板協(xié)調(diào)工作，功耗較大。鑒于FPGA功能強(qiáng)大、邏輯速度快、功耗低及可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，本文采用FPGA為核心進(jìn)行微波輻射計(jì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的低功耗和輕小型化。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5頻段雙極化微波輻射計(jì)共10個(gè)通道，其中每個(gè)頻段結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由天線單元、接收機(jī)單元、定標(biāo)單元、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、測溫電路等功能模塊組成。接收機(jī)單元包括內(nèi)檢波、低頻放大、積分等部分[1]。接收機(jī)的輸入端通過電子開關(guān)周期地在天線單元和定標(biāo)單元之間切換，同時(shí)噪聲源在加電和不加電兩種狀態(tài)下與匹配負(fù)載耦合，從而使定標(biāo)源產(chǎn)生高、低不同的亮溫，5個(gè)頻段共用一套數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)注入指令包，控制系統(tǒng)開關(guān)機(jī)和噪聲源上下電，系統(tǒng)上電后，由接收機(jī)單元接收的模擬信號送入數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲，AGC自動(dòng)增益控制、工作狀態(tài)控制以及與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信。可見，數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)在微波輻射計(jì)各模塊中處于至關(guān)重要的位置。
1.1 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
數(shù)控系統(tǒng)由FPGA及外圍電路、數(shù)據(jù)采集電路、AGC自動(dòng)增益控制電路、系統(tǒng)開關(guān)控制電路、電平轉(zhuǎn)換電路、總線接口電路等部分組成，如圖2所示。

FPGA根據(jù)系統(tǒng)既定的時(shí)序或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)注入的控制指令，通過電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，控制數(shù)據(jù)采集電路完成科學(xué)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集，并控制AGC自動(dòng)增益控制電路為多通道微波輻射計(jì)冷源和熱源的定標(biāo)提供AGC調(diào)整值[2]。同時(shí)，F(xiàn)PGA通過控制電平控制系統(tǒng)開關(guān)，由控制電路完成整個(gè)系統(tǒng)、接收機(jī)和噪聲源的開關(guān)機(jī)功能，并完成科學(xué)數(shù)據(jù)包到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的回傳。
數(shù)控系統(tǒng)以Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，其配置PROM采用XCF32P，32 M存儲容量。
數(shù)據(jù)采集電路采用AD公司的16位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD976A，芯片轉(zhuǎn)換速率為200 KS/s，此高速A/D轉(zhuǎn)換器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 V～+10 V，分辨率高，可做到16位不失碼。
AGC自動(dòng)增益控制電路采用AD公司的12位并行數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7247，電壓輸出范圍選擇0 V~5 V，滿足微波輻射計(jì)數(shù)控系統(tǒng)精度要求。
1.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1.2.1 數(shù)據(jù)采集電路
數(shù)據(jù)采集電路由隔離驅(qū)動(dòng)電路、多個(gè)多路選擇器以及一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器組成。其中，隔離驅(qū)動(dòng)電路采用JFET輸入的運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離和驅(qū)動(dòng)；多路選擇器對10路遙感信號和25路溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，其地址信號由FPGA的I/O接口提供，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送入多路選擇器；A/D芯片轉(zhuǎn)換速率為200 KS/s，16 bit雙極性輸出，最高位表示符號位，硬件電路如圖3所示。采集到的數(shù)據(jù)存入FPGA的SRAM中，工作周期為60 s，一個(gè)工作周期結(jié)束后，將科學(xué)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)下傳到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。

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信號的下降沿控制，信號脈沖寬度至少為50 ns。當(dāng)R/C變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，BUSY信號也變?yōu)榈碗娖?，?biāo)志轉(zhuǎn)換結(jié)束，則移位寄存器中的數(shù)據(jù)被更新的二進(jìn)制補(bǔ)碼替代，其中，R/C控制端由FPGA的I/O端口進(jìn)行控制。
1.2.2 AGC自動(dòng)增益控制電路
AGC自動(dòng)增益控制電路由5個(gè)兩通道D/A轉(zhuǎn)換器AD7247和隔離驅(qū)動(dòng)電路組成，硬件電路如圖4所示。由FPGA對數(shù)據(jù)采集電路采集的微波輻射計(jì)冷源和熱源定標(biāo)值進(jìn)行判斷，為AGC自動(dòng)增益控制電路提供有效的AGC調(diào)整值，通過D/A轉(zhuǎn)換器及隔離驅(qū)動(dòng)電路后提供給微波輻射計(jì)的接收機(jī)單元。其中，5個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器并聯(lián)為微波輻射計(jì)10個(gè)通道提供AGC調(diào)整值，片選信號和轉(zhuǎn)換信號由FPGA的I/O端口進(jìn)行控制。

1.2.3 系統(tǒng)開關(guān)控制電路
系統(tǒng)開關(guān)控制電路包括系統(tǒng)上下電和噪聲源開關(guān)控制電路兩部分。其中，系統(tǒng)上下電通過四觸點(diǎn)磁保持繼電器及ULN2003A構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路控制，該磁保持繼電器有2個(gè)線圈：1個(gè)置位線圈Set和1個(gè)復(fù)位線圈Reset，均通過脈沖觸發(fā)。當(dāng)繼電器Set端出現(xiàn)上升沿時(shí)，繼電器吸合，系統(tǒng)上電；當(dāng)繼電器Reset端出現(xiàn)上升沿時(shí)，繼電器斷開，系統(tǒng)下電。由于繼電器在切換瞬間電流較大，因此需要外加驅(qū)動(dòng)電路，由ULN2003A構(gòu)成[3]。此種繼電器具有保持功能，一旦置位或復(fù)位，即使線圈斷電，繼電器仍保持原狀態(tài)，從而降低了功耗。
1.2.4 電平轉(zhuǎn)換電路
由于FPGA設(shè)計(jì)采用的是LVTTL電平，而數(shù)據(jù)采集電路及AGC自動(dòng)增益控制電路采用的是5VCMOS電平，LVTTL的高低電平為：

可見，LVTTL信號與CMOS信號不可直接互聯(lián)，因此設(shè)計(jì)選用TI公司的SN74ALVC164245芯片(具有三態(tài)輸出的16 bit 3.3 V到5 V電平轉(zhuǎn)換收發(fā)器)實(shí)現(xiàn)LVTTL與CMOS電平的互聯(lián)。
1.2.5 總線接口電路
總線接口電路通過串行通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，由MAX232完成TTL電平到EIA的電平轉(zhuǎn)換，硬件電路如圖5所示。

2 數(shù)控系統(tǒng)FPGA軟件設(shè)計(jì)
FPGA軟件部分包括總線控制模塊、天線驅(qū)動(dòng)接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、AGC模塊和系統(tǒng)開關(guān)控制模塊5部分，使用同一時(shí)鐘進(jìn)行同步處理，控制其他電路共同完成微波輻射計(jì)的冷熱源定標(biāo)、數(shù)據(jù)采集和工作狀態(tài)控制等功能。FPGA軟件信息流程圖如圖6所示。

其中，總線控制模塊包括初始化配置模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和中斷處理模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)傳輸科學(xué)數(shù)據(jù)包，包括定標(biāo)數(shù)據(jù)、科學(xué)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)；中斷處理模塊負(fù)責(zé)傳輸工程遙測包的數(shù)據(jù)注入和內(nèi)部指令注入，分別存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位，控制微波輻射計(jì)各部分運(yùn)行狀態(tài)。
天線驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行總線控制模塊傳輸?shù)母鞣N天線控制指令，同時(shí)讀取天線狀態(tài)字和天線角編碼，并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待下傳。
數(shù)據(jù)采集模塊為多路選擇器提供地址信號，并為A/D轉(zhuǎn)換器提供片選信號，控制數(shù)據(jù)采集電路工作，同時(shí)依次采集科學(xué)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，并在一個(gè)周期后打包下傳。
AGC模塊依據(jù)數(shù)據(jù)采集電路采集的熱源和冷源的定標(biāo)數(shù)據(jù)，按照AGC調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整AGC值，使冷源輸出下限為3.3 V，熱源輸出上限為4 V。AGC調(diào)整方式為步進(jìn)式調(diào)整，調(diào)整步長為5 mV，系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)后，將調(diào)整后的AGC值與科學(xué)數(shù)據(jù)包共同打包下傳。
系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，為防止系統(tǒng)上電時(shí)復(fù)位不充分，系統(tǒng)上電后進(jìn)行3 s的延時(shí)，然后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，順序依次為內(nèi)存、外存、I/O端口[4]。程序中使用的以及需要預(yù)設(shè)初值的所有變量都要進(jìn)行初始化，不使用的內(nèi)存地址同時(shí)初始化為00H。
初始化后按照天線對定標(biāo)區(qū)和目標(biāo)觀測區(qū)的掃描時(shí)序進(jìn)行觀測。每個(gè)觀測周期的觀測順序?yàn)椋簾嵩炊?biāo)→冷源定標(biāo)→目標(biāo)觀測→熱源定標(biāo)。同時(shí)通過執(zhí)行內(nèi)部注入指令對系統(tǒng)工作狀態(tài)加以控制，F(xiàn)PGA工作流程如圖7所示。

3 數(shù)控系統(tǒng)仿真與調(diào)試
本文選用Mentor公司的Modelsim HDL仿真軟件和Xilinx公司的Chipscope FPGA片上邏輯分析儀對系統(tǒng)軟件和硬件進(jìn)行了實(shí)際仿真，通過Xilinx ISE開發(fā)環(huán)境中生成的測試激勵(lì)文件Testbench，可以無縫連接Modelsim仿真工具，測試結(jié)果滿足系統(tǒng)要求。
圖8為Modelsim仿真的冷源定標(biāo)和AGC值存儲部分波形圖。

Modelsim仿真有2種激勵(lì)輸入方式，一種是傳統(tǒng)的波形輸入，另一種是通過編寫代碼，對輸入產(chǎn)生預(yù)定的激勵(lì)，這種方式能夠產(chǎn)生更為復(fù)雜的激勵(lì)，提供更高的功能覆蓋率，并且可移植性更好，驗(yàn)證速度更快[5]。
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)對整個(gè)FPGA模塊進(jìn)行測試的Testbench，模仿了A/D芯片采集的數(shù)據(jù)，可以驗(yàn)證定標(biāo)過程中生成AGC調(diào)整值的準(zhǔn)確性和存儲器讀寫科學(xué)數(shù)據(jù)和定標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。冷源定標(biāo)過程中，程序首先為多路選擇器提供地址信號addrch和addrte，依次對接收機(jī)10個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)冷源輸出adout小于3.3 V，轉(zhuǎn)換為步長即2A7E時(shí)， 程序?qū)⒅鸩綔p小AGC調(diào)整值，并通過D/A片選信號csa和csb送入D/A轉(zhuǎn)換器，直到冷源輸出高于2A7E時(shí)，將冷源定標(biāo)輸出和AGC調(diào)整值存入RAM中。結(jié)果表明，F(xiàn)PGA各模塊工作正常，符合設(shè)計(jì)要求。
本文結(jié)合微波輻射計(jì)工程實(shí)現(xiàn)的要求，討論了微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)的原理，并采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)了該數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和FPGA模塊設(shè)計(jì)，進(jìn)行了部分模塊的功能仿真和時(shí)序仿真，通過了系統(tǒng)調(diào)試仿真驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)備小型化的設(shè)計(jì)目的；同時(shí)，采用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了程序的可移植性，并通過了可靠性和穩(wěn)定性的分析設(shè)計(jì)，從而能夠有效保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。
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