摘? 要: 介紹一種可用于微波輻射" title="微波輻射">微波輻射散射計(jì)的嵌入式數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集,、處理和控制系統(tǒng)。首先闡述了微波輻射散射計(jì)的工作原理及對(duì)數(shù)據(jù)采集,、處理和控制電路的要求;然后著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì);最后對(duì)輻射散射計(jì)數(shù)據(jù)處理" title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了分析,并給出了在CCS環(huán)境下可以運(yùn)行的幾個(gè)關(guān)鍵的C語(yǔ)言程序,。
關(guān)鍵詞: 嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)? DSP? CPU? 輻射計(jì)? 散射計(jì)
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微波遙感有全天候、全天時(shí),、能穿透植被,、土壤等特性, 它可以獲得可見(jiàn)光、紅外遙感所無(wú)法獲得的信息,。對(duì)物體輻射散射特性的研究是微波遙感的重要內(nèi)容和手段, 用輻射計(jì)可以測(cè)量物體亮度溫度,用散射計(jì)可以測(cè)量物體的散射系數(shù),。因同一被測(cè)目標(biāo)的散射和輻射特性具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性,將輻射計(jì)和散射計(jì)組合起來(lái)能對(duì)同時(shí)獲取的散射信息和輻射信息進(jìn)行互補(bǔ)融合研究,以更好地獲取物體的特性。
微波輻射散射計(jì)需要實(shí)時(shí)采集目標(biāo)信號(hào)和參考信號(hào),對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,。使用通用的微處理器一般很難完成實(shí)時(shí)處理任務(wù),。通常的辦法是將采集的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)進(jìn)行處理,這樣整個(gè)系統(tǒng)的體積較大。而微波輻射散射計(jì)需要長(zhǎng)期工作在現(xiàn)場(chǎng)甚至野外,體積的大小和系統(tǒng)的便攜性比較重要,。當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各類電子設(shè)備,如移動(dòng)設(shè)備,、掌上PDA、數(shù)字電視等,。嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式處理器為核心,存儲(chǔ)器和I/O等設(shè)備而構(gòu)成的系統(tǒng),。它區(qū)別于PC機(jī)系統(tǒng)。將嵌入式設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于微波輻射散射計(jì)將會(huì)大大減小系統(tǒng)的體積,提高其便攜性和可靠性。
1 輻射散射計(jì)的工作原理
圖1是微波輻射散射計(jì)的原理框圖,。本輻射散射計(jì)采用雙參考溫度輻射計(jì)和噪聲散射計(jì)組合而成,。輻射計(jì)分時(shí)接收目標(biāo)輻射信號(hào)和兩參考溫度信號(hào);散射計(jì)接收目標(biāo)散射信號(hào)和內(nèi)部校正信號(hào)。系統(tǒng)處于輻射計(jì)工作方式時(shí),將固態(tài)噪聲源,、功放,、隔離器、發(fā)射天線關(guān)閉;DICKE開關(guān)分時(shí)切換接收天線的信號(hào)和雙參考負(fù)載;接收極化開關(guān)使接收的V,、H極化信號(hào)分時(shí)送入DICKE開關(guān);負(fù)載開關(guān)切換高低溫參考負(fù)載;DICKE開關(guān)的輸出信號(hào)與本振信號(hào)混頻后經(jīng)中放,、檢波和低放后送入A/D采樣。系統(tǒng)處于散射計(jì)工作方式時(shí),固態(tài)噪聲源產(chǎn)生的噪聲經(jīng)功放和隔離器后,再經(jīng)過(guò)發(fā)射校正開關(guān)送入發(fā)射極化開關(guān),通過(guò)極化分離器送入發(fā)射天線發(fā)射,。散射計(jì)的接收部分利用輻射計(jì)的接收通道,不同的是負(fù)載開關(guān)固定地接收低參考溫度負(fù)載,而發(fā)射校正開關(guān)使固態(tài)噪聲源分時(shí)地送入發(fā)射機(jī)和定向耦合器,定向耦合器將固態(tài)噪聲源信號(hào)耦合送入低溫參考負(fù)載,供實(shí)時(shí)校正,。系統(tǒng)處于輻射散射計(jì)的組合模式時(shí),可以按分時(shí)的方式分別進(jìn)行VV、HH,、VH,、HV散射測(cè)量和V、H的輻射測(cè)量,根據(jù)測(cè)量值來(lái)分析被測(cè)目標(biāo),。
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本系統(tǒng)需控制發(fā)射極化開關(guān),、接收極化開關(guān)、發(fā)射校正開關(guān),、DICKE開關(guān)和負(fù)載開關(guān),系統(tǒng)還需具有測(cè)溫,、控溫和控制步進(jìn)電機(jī)等功能。在系統(tǒng)中要完成的數(shù)據(jù)采集有系統(tǒng)的高低參考溫度和混頻檢波的輸出信號(hào),。由于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜,僅用微處理器很難在數(shù)據(jù)采集的同時(shí),完成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理,。為此一般采用將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)進(jìn)行處理。
微處理器與PC機(jī)間的通信采用RS232,。下面提出一種以DSP+單片機(jī)為核心的輻射散射計(jì)嵌入式數(shù)據(jù)采集,、處理和控制的方案。
2 輻射散射計(jì)的嵌入式數(shù)據(jù)采集,、處理和控制系統(tǒng)
根據(jù)上述輻射散射計(jì)的工作原理和對(duì)數(shù)據(jù)采集,、處理及控制電路的分析,可以知道整個(gè)嵌入式系統(tǒng)需要一組控制信號(hào)來(lái)控制各路開關(guān)、電機(jī)和溫度,。系統(tǒng)需要采集目標(biāo)的輻射,、散射信號(hào)和高低參考負(fù)載溫度信號(hào)。采集獲得的數(shù)據(jù)需進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的處理,并顯示出相應(yīng)的處理結(jié)果,。設(shè)計(jì)輻射散射計(jì)的嵌入式數(shù)據(jù)采集,、處理和控制系統(tǒng),可以采用以DSP+單片機(jī)為核心的主從式嵌入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)中DSP主要完成數(shù)據(jù)處理和一些按鍵,、顯示工作;單片機(jī)完成各組控制信號(hào)的輸出和數(shù)據(jù)的采集,同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的工作方式,。這種主從式系統(tǒng)有利于充分發(fā)揮DSP和單片機(jī)自身優(yōu)勢(shì)。
2.1 系統(tǒng)的工作原理
整個(gè)嵌入式系統(tǒng)如圖2,。DSP和PIC16F874單片機(jī)采用HPI-8主從接口進(jìn)行通信,。程序存儲(chǔ)器AT29LV1024存儲(chǔ)DSP程序,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CY7C1021VC33存儲(chǔ)單片機(jī)采集的原始數(shù)據(jù)和DSP處理后、處理過(guò)程中的數(shù)據(jù),。液晶采用LCD模塊EDM12864B,它能顯示4×8個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字,。按鍵采用兩個(gè)鎖存器,通過(guò)定時(shí)掃描來(lái)判斷有無(wú)按鍵按下。PIC16F874具有片內(nèi)A/D采樣電路,可以將輻射信號(hào),、散射信號(hào),、高低參考溫度、環(huán)境溫度,、機(jī)箱溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),。
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2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
圖3是DSP的存儲(chǔ)器擴(kuò)展及按鍵、顯示電路,。用/PS控制程序存儲(chǔ)器FLASH的
,用R/W控制FLASH的
,FLASH的
連接到地,。采用/DS控制SRAM的
,用R/
控制SRAM的
,SRAM的
、
和BLE連接到地,。按鍵和液晶均采用
控制,。鎖存器U1(74HC573)采用/IS和A12選通,當(dāng)/IS和A12都為0時(shí),U1選通。這樣U1的地址可設(shè)為0EFFFH,DSP對(duì)U1采用定時(shí)掃描,依次輸出高電平" title="高電平">高電平,。鎖存器U2(74HC573)采用IOSTRB和A13控制,。當(dāng)
和A13都為0時(shí),U2選通。這樣U2的地址可設(shè)為0DFFFH,DSP對(duì)U2采用定時(shí)讀入,根據(jù)讀入值和輸出值判斷有無(wú)按鍵按下和哪個(gè)按下,。液晶模塊采用
和A14控制,當(dāng)
和A14都為0時(shí),，液晶選通。
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圖4是DSP與單片機(jī)的通信及數(shù)據(jù)采集,、控制電路,5402(從處理器)和PIC16F874(主處理器)通過(guò)HPI-8進(jìn)行通信,。HPI-8是一種速度快、硬件接口簡(jiǎn)單的并行通信方式,對(duì)于大數(shù)據(jù)通信,其效率更高,。5402的HD0～7是8位數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù),、地址和控制字都通過(guò)它來(lái)讀寫,控制線HCNTL0、HCNTL1指示主處理器通過(guò)HD0～7讀寫的數(shù)據(jù)類型,。因5402的數(shù)據(jù),、地址和控制字都是16位數(shù)據(jù),主處理器需要分兩次傳送數(shù)據(jù)?？刂凭€HBIL指示主機(jī)傳送的是第一字節(jié)還是第二字節(jié),。在圖4中通過(guò)將HCS接地、HDS2接高電平,、HDS1通過(guò)程序置0使HPI-8內(nèi)部選通,。HPIENA是HPI使能端。DSP上電復(fù)位時(shí),檢測(cè)HPIENA引腳的電平,如果為高,則使能HPI，故將HPIENA接高電平,。引腳HR/W控制讀寫,高電平表示主機(jī)要讀HPI-8,，低電平表示主機(jī)要寫HPI-8。將引腳HAS接高電平,。
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PIC16F874具有五路12位的A/D采樣電路,可以將高低參考溫度信號(hào),、混頻檢波信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部采樣。PIC16F874將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)HPI-8送入5402進(jìn)行處理,同時(shí)根據(jù)輻射散射計(jì)工作模式給出相應(yīng)的各組控制開關(guān)信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào),。
2.3 嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
嵌入式系統(tǒng)僅有硬件是不夠的,必須配備相應(yīng)的操作系統(tǒng),。早期的嵌入式系統(tǒng)采用前后臺(tái)系統(tǒng),這種前后臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性很差;而實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)以其高可靠性、高開發(fā)效率和多任務(wù)特性得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,。本系統(tǒng)軟件包括DSP通信軟件,、鍵盤的I/O驅(qū)動(dòng)程序、液晶的驅(qū)動(dòng)程序,、任務(wù)調(diào)度處理程序和單片機(jī)的軟件等,。在編寫DSP軟件時(shí)一般采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。而驅(qū)動(dòng)程序與硬件直接打交道,用C語(yǔ)言不便控制,一般采用匯編語(yǔ)言來(lái)處理,。
在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要善于采用DSP/BIOS,。 DSP/BIOS是一個(gè)實(shí)時(shí)底層軟件，它能提供基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度,、中斷處理,、I/O服務(wù)等。同時(shí)DSP/BIOS能實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)機(jī)的信息,在軟件調(diào)試階段能對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)查(probe),、跟蹤(trace)和監(jiān)控(monitor),。這樣在系統(tǒng)的軟件開發(fā)階段可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),節(jié)約開發(fā)時(shí)間。DSP/BIOS以API調(diào)用的形式被C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言調(diào)用,在編譯時(shí)DSP/BIOS庫(kù)與應(yīng)用程序連接,并映射到目標(biāo)系統(tǒng)的程序中,。
3 嵌入式輻射散射計(jì)的數(shù)據(jù)處理及實(shí)現(xiàn)
在輻射散射計(jì)中有兩個(gè)核心的數(shù)據(jù)處理,一個(gè)是輻射計(jì)亮度溫度,另一個(gè)是散射計(jì)的散射系數(shù),。
3.1 雙參考溫度輻射計(jì)測(cè)量亮度溫度
雙參考溫度輻射計(jì)分別測(cè)量天線亮溫TA、低參考負(fù)載溫度TL和高參考負(fù)載溫度TH的輻射信號(hào),。這些信號(hào)經(jīng)平方律檢波后,輸出電壓分別為V1,、V2、V3,由此可得天線的溫度TA(K)為:
當(dāng)單片機(jī)采集到這些數(shù)據(jù)后將其送入DSP,DSP需要根據(jù)V1,、V2,、V3、TH,、TL求取TA,。在DSP進(jìn)行這種數(shù)值運(yùn)算時(shí),采用C語(yǔ)言非常方便。
以下是用求解TA的C程序：
double get_Ta(V1,，V2,，V3,，Th，Tl)
double V1,，V2,，V3，Th,，Tl,；
{???? double Ta；
Ta=(V1-V3)×(Th-Tl)/(V2-V3)-Tl,；
return(Ta)； }
3.2 散射計(jì)的散射系數(shù)
根據(jù)雷達(dá)方程可以推出后向散射系數(shù)σpq：
????
其中θi為入射角,H為天線架設(shè)的高度,I(θi,H)? 為照射積分,它是入射角和天線高度的函數(shù),Pr為天線接收功率,Pt為天線的發(fā)射功率,Kdb為常數(shù),。散射計(jì)測(cè)出Pr和Pt后,Kdb和I(θi,H)已知,，故可以求出后向散射系數(shù)σpq。
其C語(yǔ)言程序?yàn)椋?/P>
# define K?5.1
double??get_scatter(int Pr,，int Pt,，int Qi，int H)
{???extern double get_I(),；
double scatter,，i；
i=get_I(Qi,，H),；
scatter=Pr/Pt-K-i；
return(scatter),； }
?
參考文獻(xiàn)
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