基于單片機的微波輻射計數(shù)控單元設(shè)計與實現(xiàn)

    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(yīng)用，而數(shù)據(jù)處理與控制單元作為微波輻射計的重要組成部分，承擔(dān)了所有的驅(qū)動及控制功能，對時序及精度要求十分嚴(yán)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(shù)控單元的核心，通過精確的時序控制，實現(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，該數(shù)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(jié)構(gòu)
    微波輻射計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由檢波器輸出的模擬信號通過數(shù)控單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及傳輸、顯示與數(shù)據(jù)處理等功能，并對系統(tǒng)時序、上下電等進行控制，在輻射計的設(shè)計中處于重要位置。

1．1 數(shù)控單元硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)由單片機、高速A／D轉(zhuǎn)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(xiàn)地址總線和數(shù)據(jù)總線的復(fù)用，同時，RAM的讀寫由讀寫控制電路來實現(xiàn)。
    數(shù)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(shù)據(jù)存儲器RAM為256 KB，通過鎖存器54HC573進行分時復(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200 KSPS。該高速A／D采用電荷重分布技術(shù)進行逐次逼近型模／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，滿足微波輻射計數(shù)控精度要求。
    AT89C51串行口輸出為TTL電平。為使其與PC機標(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)計與實現(xiàn)
1．2．1 數(shù)據(jù)采集
    單片機初始化完畢后，通過片選信號選中A／D轉(zhuǎn)換器，把RAM的控制權(quán)交給采集電路。AD976A進行數(shù)據(jù)采集時，置CS引腳固定為低電平，則轉(zhuǎn)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(dāng)R／C變?yōu)榈碗娖綍r，BUSY信號也變?yōu)榈碗娖剑瑯?biāo)志轉(zhuǎn)換結(jié)束，則移位府存器中的數(shù)據(jù)被更新的二進制補碼替代。設(shè)計中，由于256 KB數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)存儲交替工作。當(dāng)A15低電平時，選通數(shù)據(jù)存儲器IDT71256，此時CS為高電平，則AD976A停止工作；當(dāng)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(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輸出信號為高電平時，P0口，輸出數(shù)據(jù)鎖存入總線驅(qū)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(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)與地址分時復(fù)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(shù)據(jù)內(nèi)存的控制線；WR作為寫入數(shù)據(jù)到外部內(nèi)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(qū)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(qū)動器AKS230發(fā)出節(jié)拍脈沖，以帶動天線勻速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。當(dāng)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(qū)動電流的匹配問題Ⅲ，這里使用總線驅(qū)動器74LS245與單片機相連，輸出電流可達20 mA，滿足電機驅(qū)動要求。
1．2．4 串口通信電路
    串口通信部分通過AT89C51內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)換。

2 軟件設(shè)計
    單片機軟件部分采用了模塊化的設(shè)計方法，按照功能分為數(shù)據(jù)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(diào)用等進行連接，有機地成為一體，整個系統(tǒng)已經(jīng)使用Medwin 3．O調(diào)試并能夠成功運行。
    數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)后調(diào)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(fù)位并從頭運行，數(shù)據(jù)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(xiàn)電機的精確啟動和停止，從而控制天線的掃描狀態(tài)，當(dāng)串口發(fā)送5500h時電機停止；當(dāng)發(fā)送55ffh時電機啟動。其重點在于精確讀取天線的轉(zhuǎn)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(shù)來實現(xiàn)，由于電機步進角為1．8°且采用32細(xì)分，則每轉(zhuǎn)一圈步數(shù)為：360°／(1．8°／32)=6 400步，通過讀取計數(shù)值，實現(xiàn)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(biāo)志TI和接收標(biāo)志RI判斷中斷類型，若為接收中斷，則接收上位機命令，控制電機啟動和停止；若為發(fā)送中斷，則實現(xiàn)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(shè)計
    上位機軟件主要通過C#實現(xiàn)，通過調(diào)用串口實現(xiàn)對下位機的控制及數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，并能夠?qū)崟r顯示采集數(shù)據(jù)波形并保存。界面如圖6所示

4 結(jié) 語
    單片機控制簡便，接口方便，實時性強?；谶@些優(yōu)勢，該文設(shè)計的微波輻射計數(shù)控單元不僅能夠精確控制天線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)的特性，通過使用低功耗的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的系統(tǒng)要求，在實時觀測方面具有廣泛應(yīng)用。