微波輻射計(jì)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(jī),，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(jì)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(jī)作為220 GHz微波輻射計(jì)數(shù)控單元的核心,，通過精確的時序控制，實(shí)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(diǎn),。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
微波輻射計(jì)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(shí)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(jìn)行控制,，在輻射計(jì)的設(shè)計(jì)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(jī),、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(shí)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(shí)現(xiàn),。
數(shù)控單元采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)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(kuò)展程序存儲器ROM為256 KB,，IDT71256擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器RAM為256 KB,，通過鎖存器54HC573進(jìn)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(dá)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(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(jì)數(shù)控精度要求,。
AT89C51串行口輸出為TTL電平,。為使其與PC機(jī)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(jì)與實(shí)現(xiàn)
1．2．1 數(shù)據(jù)采集
單片機(jī)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(jìn)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?，?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(jìn)制補(bǔ)碼替代。設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)控制電路
天線驅(qū)動控制部分通過上位機(jī)發(fā)送電機(jī)啟動命令,，單片機(jī)從串口接收到啟動命令后,，向電機(jī)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(jī)發(fā)出停止命令時,，通過單片機(jī)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(jī)輸出電流與電機(jī)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(jī)相連，輸出電流可達(dá)20 mA,，滿足電機(jī)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(jìn)行發(fā)送和接收。AT89C51串行接口有四種工作模式,，本設(shè)計(jì)中，串口工作于方式1,，波特率可變,，通過定時器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)],，則通過計(jì)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(jì)
單片機(jī)軟件部分采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，按照功能分為數(shù)據(jù)采集及存儲,、電機(jī)運(yùn)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(jìn)行連接,，有機(jī)地成為一體,，整個系統(tǒng)已經(jīng)使用Medwin 3.0調(diào)試并能夠成功運(yùn)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(jìn)行控制,，實(shí)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(jī)進(jìn)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(yùn)行,，數(shù)據(jù)采集部分程序流程圖如圖3所示,。
電機(jī)運(yùn)行控制部分通過中斷接收串口命令，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)停止；當(dāng)發(fā)送 55ffh時電機(jī)啟動,。其重點(diǎn)在于精確讀取天線的轉(zhuǎn)角狀態(tài),，保證電機(jī)啟動和停止處于同一位置。主要通過軟件計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn),，由于電機(jī)步進(jìn)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)=*00步，通過讀取計(jì)數(shù)值,，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)啟動停止位置的控制,。電機(jī)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(jī)命令,，控制電機(jī)啟動和停止；若為發(fā)送中斷,，則實(shí)現(xiàn)每次間隔1 s向上位機(jī)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(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件主要通過C#實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)用串口實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)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(jī)控制簡便,，接口方便,，實(shí)時性強(qiáng)。基于這些優(yōu)勢,，該文設(shè)計(jì)的微波輻射計(jì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換、采集,、通信并顯示輸出,，實(shí)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(jì)的系統(tǒng)要求，在實(shí)時觀測方面具有廣泛應(yīng)用,。