用MSP430單片機實(shí)現微波成像系統的掃描控制與數據采集

----摘 要：應用MSP430單片機實(shí)現微波成像系統的天線(xiàn)掃描控制及數據采集功能，介紹了該系統控制及采集部分的硬件結構及軟件設計。 ----主題詞：MSP430單片機;微波成像系統;掃描控制;數據采集 引言 ----在無(wú)源微波遙感中，微波輻射計是一種獲取場(chǎng)景微波特征的重要手段。微波輻射計通常是一部超外差接收機，通過(guò)接收被測場(chǎng)景在一定頻帶內的電磁輻射，轉換為輸出的低頻信號，來(lái)表征被測場(chǎng)景的地物信息。利用微波輻射計來(lái)探測、接收被測目標、背景在微波波段的電磁輻射，并把接收到的輻射信號按比例用偽彩色圖像直觀(guān)地顯現出來(lái)的系統稱(chēng)為微波輻射成像系統。 ----微波輻射成像系統要求在惡劣的環(huán)境和天氣下長(cháng)期穩定地進(jìn)行天線(xiàn)掃描成像，所以要求系統設備用于天線(xiàn)掃描控制及數據采集的電路盡量簡(jiǎn)單、穩定?；谝陨系囊?，采用了TI公司所生產(chǎn)的MSP430F149型超低功耗FLASH單片機作為這套系統的從機部分，該單片機有60KB的FLASH存儲器和 2KB的RAM存儲器，可以在一臺PC及JTAG控制器的幫助下實(shí)現程序的下載，完成程序調試。 ----系統總體結構及硬件設計 ● 系統整體結構 ----微波輻射成像系統的原理如圖1所示。

----系統采用主從式計算機進(jìn)行工作，其中主機采用PC機進(jìn)行人機對話(huà)以及實(shí)時(shí)成像，從機采用MSP430F149單片機進(jìn)行步進(jìn)電機的智能控制以及高速數據采集，主從機之間采用RS232串行通信端口進(jìn)行通信。成像時(shí)，先由PC機送出命令參數，再由單片機根據命令發(fā)出相應的控制信號通過(guò)驅動(dòng)放大電路進(jìn)入電機，分別或者同時(shí)控制兩臺電機的轉向與轉速，使得輻射計天線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)掃描，同時(shí)輻射計將接收到的信號進(jìn)行積分后輸入到MSP430單片機集成的12位 ADC的模擬信號輸入通道，進(jìn)行12位的A/D轉換，然后由單片機通過(guò)串口發(fā)送程序送入主機存儲并顯示相應的偽彩色圖像。 ----為了方便以后的軟件升級，在電路中預留了JTAG調試口可以隨時(shí)進(jìn)行軟件調試，并且將數據采集信號線(xiàn)，電機控制信號線(xiàn)和定位信號線(xiàn)統一用一個(gè)并行接口口輸出，方便系統安裝調試，從機部分硬件電路原理如圖2。

● 天線(xiàn)控制電路 ----使用MSP430F149的P1端口來(lái)控制兩個(gè)電機，每次輸出的是一個(gè)字節，它的高三位控制水平電機，中間三位控制縱向電機。由于控制電機驅動(dòng)柜要求的驅動(dòng)信號電平和信號電流比單片機I/O口輸出的信號電平和電流都高，同時(shí)為了使單片機的輸出電平不受驅動(dòng)放大電路的影響，使用了兩片光電耦合器 TLP521為電機驅動(dòng)電路提供驅動(dòng)信號。 ● 數據采集電路 ----MSP430F149具有12位ADC，輻射計輸出信號可直接送入該單片機進(jìn)行12位A/D轉換而無(wú)需外圍擴展A/D轉換芯片，多種不同的采樣模式可以有效降低軟件的復雜度。由于需要定時(shí)利用單個(gè)通道接收信號，因此采用單通道單次采樣的模式進(jìn)行數據采集。 ● 通信電路 ----MSP430F149與PC機的通信采用RS232串行通信總線(xiàn)，采用HARRIS公司生產(chǎn)的ICL232作為RS232電平轉換芯片。 ● 定位電路 ----在微波成像系統中，為了防止電機的失步，保證天線(xiàn)掃描場(chǎng)景與PC機所成圖像場(chǎng)景一致必須在單片機上外加定位電路，使得天線(xiàn)掃描一周后能夠確定天線(xiàn)的零位，在天線(xiàn)的轉臺上安裝一個(gè)撞針，并接單片機的P2.0端口，平時(shí)保持開(kāi)路狀態(tài)，P2.0端口保持高電平，當天線(xiàn)旋轉至零位時(shí)，撞針與地線(xiàn)接觸，發(fā)生短路，P2.0端口電平變?yōu)?V，單片機檢測到電平發(fā)生跳變，使單片機產(chǎn)生中斷信號，由此判定天線(xiàn)是否到零位。等效電路如圖3所示。

● 電源電路 ----除MSP430F149外，其他芯片均需要電源提供+5V的電壓才能工作。系統統一外接5V電源，用電壓轉換芯片EZ1085C-3.3將5V的電壓轉換為3.3V為單片機供電。 ----系統軟件設計 ● 功能需求及流程 ----微波輻射成像系統的軟件部分要完成的功能主要如下。 ----(1)實(shí)時(shí)進(jìn)行微波掃描成像，要同時(shí)完成控制步進(jìn)電機以一定的速度旋轉;按一定的采樣速率采集輻射計輸出的電壓值;實(shí)時(shí)在顯示器上顯示輻射成像系統掃描的場(chǎng)景的偽彩色圖像;存儲輻射圖像到硬盤(pán);打印輻射圖像; ----(2)對已有的輻射圖像重現、觀(guān)察和分析; ----(3)對輻射計進(jìn)行定標計算; ----(4)單獨驅動(dòng)步進(jìn)電機以不同的方式運動(dòng)。 ----其中MSP430單片機要完成的工作有：接收主機發(fā)送的命令參數，利用機內的定時(shí)器定時(shí)中斷，中斷處理程序決定是否驅動(dòng)電機走一步或采樣一點(diǎn);要采樣一點(diǎn)，從數據端口讀入輻射計接收機的輸出信號并進(jìn)行A/D轉換，要驅動(dòng)步進(jìn)電機走一步，對片上I/O端口發(fā)出一個(gè)驅動(dòng)脈沖。以上的操作周期為毫秒級。單片機與PC機通過(guò)串行通信端口進(jìn)行數據交換。 ----程序流程圖如圖4所示。 ● 天線(xiàn)掃描方式選擇及實(shí)現 ----在微波輻射測量中，采用天線(xiàn)主波束掃描可以對所感興趣的場(chǎng)景實(shí)現輻射測量成像。由于輻射計相對場(chǎng)景是固定的，故須采用二維機械掃描。

---- 在二維機械掃描過(guò)程中，根據采樣方式的不同，通?？梢圆捎脙煞N方式。 ----在鐘擺掃描方式中，天線(xiàn)如鐘擺一樣在一維往返掃描，每條掃描線(xiàn)均進(jìn)行采樣，一行掃描完后，天線(xiàn)的另一維抬高一個(gè)角度繼續掃描下一行，直到掃完全部區域。根據選用哪一維擺動(dòng)以及回程是否采樣，這種方式又以分為4種情況，如圖5所示。其中方式a、c均為正程掃描采樣，逆程不采樣方式，其優(yōu)點(diǎn)是各行(或列)之間沒(méi)有機械齒距誤差，但成像時(shí)間差不多是方式b、d的兩倍，而方式b、d則有成像速度快，有齒距誤差的特點(diǎn)，不過(guò)這種誤差比較均勻，可以通過(guò)機械校正來(lái)彌補。 ----在圓周掃描方式中，通常是天線(xiàn)的水平一維以勻速進(jìn)行旋轉，在一定的角度范圍內采樣，每旋轉一周后，縱向一維抬高一個(gè)角度。它的機械實(shí)現簡(jiǎn)便，有足夠的時(shí)間和空間定標，由于掃描過(guò)程中不需要來(lái)回的加減速與換向過(guò)程，故掃描速度會(huì )有很大的提高。 ----由于兩電機的轉速，轉動(dòng)時(shí)機都不相同，因而保證它們的連續變相就十分重要，否則，電機的轉動(dòng)就不會(huì )平穩，容易損壞，因此要有精確的時(shí)鐘定時(shí)裝置對系統的電機控制和數據采集部分進(jìn)行中斷操作，才能使兩臺電機分別或者同時(shí)平穩的運行，采樣位置準確。在程序中采用了MSP430單片機片內的16位定時(shí)器 Timer_A進(jìn)行定時(shí)中斷，當程序運行時(shí)，首先根據主機發(fā)送的命令參數計算出掃描和采樣所需要的定時(shí)時(shí)間，然后預置相應的定時(shí)器最大計數值(最大不超過(guò) 65536)，定時(shí)器從0計數至最大值時(shí)發(fā)生中斷，進(jìn)入中斷子程序，根據程序設定的標志位mxy判斷是水平還是垂直電機轉動(dòng)，如果要控制水平電機，則調用 go_stepx(cw,direction_x)函數，該函數讀出P1端口前三位，根據其值確定下一相的控制字cw，同時(shí)，該函數返回改變后的cw值，可供下一次調用。如果要控制縱向電機，則調用go_stepy(cw,direction_y)函數讀出P1端口中間三位，它也返回改變后的cw值，然后驅動(dòng)電機走一步，執行完畢后返回主程序。當電機走過(guò)相應的采樣步數后，程序發(fā)生中斷，進(jìn)入采樣處理程序。 數據采集模塊設計 ----采樣處理程序開(kāi)始運行時(shí)，首先將ADC12控制寄存器中的ADC12SC和ENC置位，將輸入信號送入采樣保持電路，然后將ADC12SC復位，停止采樣，啟動(dòng)A/D轉換，將模擬信號轉換為12位數字信號并存入選擇的轉換存儲寄存器，單片機通過(guò)片內的異步通用串行模塊將轉換結果送入主機內進(jìn)行實(shí)時(shí)成像處理。 結語(yǔ) ----本系統將天線(xiàn)控制及數據采集部分和實(shí)時(shí)成像部分分離，并且采用了高度集成的MSP430F149芯片，減少了線(xiàn)路損耗，簡(jiǎn)化了系統結構，從而降低了成本并且提高了系統運行的穩定可靠性。