基于單片機的微波輻射計數控單元設計與實(shí)現

　　微波輻射計是用微波進(jìn)行遙感，從而對地物進(jìn)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(dòng)及控制功能，對時(shí)序及精度要求十分嚴格。由于系統對可靠性要求較高，故采用單片機作為220 GHz微波輻射計數控單元的核心，通過(guò)精確的時(shí)序控制，實(shí)現了數據采集、天線(xiàn)控制、狀態(tài)提取、串口通信等功能。同時(shí)，該數控單元具有功耗低，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(guò)數控單元實(shí)現數據采集及傳輸、顯示與數據處理等功能，并對系統時(shí)序、上下電等進(jìn)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(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)現地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)的復用，同時(shí)，RAM的讀寫(xiě)由讀寫(xiě)控制電路來(lái)實(shí)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(shí)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(guò)鎖存器54HC573進(jìn)行分時(shí)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(shù)進(jìn)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(mǎn)足微波輻射計數控精度要求。

　　AT89C51串行口輸出為T(mén)TL電平。為使其與PC機標準RS 232串口通信，系統選用MAX232電平轉換芯片。

　　1．2 硬件設計與實(shí)現

　　1．2．1 數據采集

　　單片機初始化完畢后，通過(guò)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(jìn)行數據采集時(shí)，置CS引腳固定為低電平，則轉換時(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R／C變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，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(jìn)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(xiàn)，使A／D轉換與數據存儲交替工作。當A15低電平時(shí)，選通數據存儲器IDT71256，此時(shí)CS為高電平，則AD976A停止工作；當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(xiàn)控制

　　在數控單元硬件結構中，采用P0口提供數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)，當ALE輸出信號為高電平時(shí)，P0口，輸出數據鎖存入總線(xiàn)驅動(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(shí)復用口，因此引進(jìn)74HC573作為地址鎖存器。同時(shí)，使用 RD作為讀取外部數據內存的控制線(xiàn)；WR作為寫(xiě)入數據到外部?jì)却娴目刂凭€(xiàn)；PSEN作為存取外部程序存儲器的讀取控制線(xiàn)。

　　1．2．3 電機控制電路

　　天線(xiàn)驅動(dòng)控制部分通過(guò)上位機發(fā)送電機啟動(dòng)命令，單片機從串口接收到啟動(dòng)命令后，向電機驅動(dòng)器AKS230發(fā)出節拍脈沖，以帶動(dòng)天線(xiàn)勻速轉動(dòng)；通過(guò)編程控制P1．0口輸出節拍脈沖速率，即可控制天線(xiàn)轉速。當上位機發(fā)出停止命令時(shí)，通過(guò)單片機程序提取天線(xiàn)狀態(tài)，保證天線(xiàn)啟停處于同一位置?？紤]到單片機輸出電流與電機驅動(dòng)電流的匹配問(wèn)題Ⅲ，這里使用總線(xiàn)驅動(dòng)器74LS245與單片機相連，輸出電流可達20 mA，滿(mǎn)足電機驅動(dòng)要求。

　　1．2．4 串口通信電路

　　串口通信部分通過(guò)AT89C51內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，本設計中，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(gè)模塊之間通過(guò)中斷或子程序調用等進(jìn)行連接，有機地成為一體，整個(gè)系統已經(jīng)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(guò)編程進(jìn)行控制，實(shí)現每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)數據后調用中斷通過(guò)串口傳給上位機進(jìn)行后續處理。每次系統上電時(shí)，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(guò)中斷接收串口命令，以實(shí)現電機的精確啟動(dòng)和停止，從而控制天線(xiàn)的掃描狀態(tài)，當串口發(fā)送5500h時(shí)電機停止；當發(fā)送 55ffh時(shí)電機啟動(dòng)。其重點(diǎn)在于精確讀取天線(xiàn)的轉角狀態(tài)，保證電機啟動(dòng)和停止處于同一位置。主要通過(guò)軟件計數來(lái)實(shí)現，由于電機步進(jìn)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(guò)讀取計數值，實(shí)現對電機啟動(dòng)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(guò)發(fā)送標志TI和接收標志RI判斷中斷類(lèi)型，若為接收中斷，則接收上位機命令，控制電機啟動(dòng)和停止；若為發(fā)送中斷，則實(shí)現每次間隔1 s向上位機發(fā)送100個(gè)電壓值，即200個(gè)字節。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(guò)C#實(shí)現，通過(guò)調用串口實(shí)現對下位機的控制及數據的后續處理，并能夠實(shí)時(shí)顯示采集數據波形并保存。界面如圖6所示。

　　4 結 語(yǔ)

　　單片機控制簡(jiǎn)便，接口方便，實(shí)時(shí)性強?；谶@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(xiàn)轉動(dòng)狀態(tài)，控制天線(xiàn)啟、停，而且能夠在天線(xiàn)接收外界信號的同時(shí)，對信號進(jìn)行轉換、采集、通信并顯示輸出，實(shí)時(shí)地反映信號的變化和被觀(guān)測目標的特性，通過(guò)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(mǎn)足微波輻射計的系統要求，在實(shí)時(shí)觀(guān)測方面具有廣泛應用。