通過(guò)超低功耗FLASH單片機(jī)實(shí)現(xiàn)微波輻射成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在無(wú)源微波遙感中，微波輻射計(jì)是一種獲取場(chǎng)景微波特征的重要手段。微波輻射計(jì)通常是一部超外差接收機(jī)，通過(guò)接收被測(cè)場(chǎng)景在一定頻帶內(nèi)的電磁輻射，轉(zhuǎn)換為輸出的低頻信號(hào)，來(lái)表征被測(cè)場(chǎng)景的地物信息。利用微波輻射計(jì)來(lái)探測(cè)、接收被測(cè)目標(biāo)、背景在微波波段的電磁輻射，并把接收到的輻射信號(hào)按比例用偽彩色圖像直觀地顯現(xiàn)出來(lái)的系統(tǒng)稱為微波輻射成像系統(tǒng)。

微波輻射成像系統(tǒng)要求在惡劣的環(huán)境和天氣下長(zhǎng)期穩(wěn)定地進(jìn)行天線掃描成像，所以要求系統(tǒng)設(shè)備用于天線掃描控制及數(shù)據(jù)采集的電路盡量簡(jiǎn)單、穩(wěn)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(jī)作為這套系統(tǒng)的從機(jī)部分，該單片機(jī)有60KB的FLASH存儲(chǔ)器和2KB的RAM存儲(chǔ)器，可以在一臺(tái)PC及JTAG控制器的幫助下實(shí)現(xiàn)程序的下載，完成程序調(diào)試。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

● 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

微波輻射成像系統(tǒng)的原理如圖1所示。

系統(tǒng)采用主從式計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作，其中主機(jī)采用PC機(jī)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話以及實(shí)時(shí)成像，從機(jī)采用MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的智能控制以及高速數(shù)據(jù)采集，主從機(jī)之間采用RS232串行通信端口進(jìn)行通信。成像時(shí)，先由PC機(jī)送出命令參數(shù)，再由單片機(jī)根據(jù)命令發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大電路進(jìn)入電機(jī)，分別或者同時(shí)控制兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，使得輻射計(jì)天線進(jìn)行自動(dòng)掃描，同時(shí)輻射計(jì)將接收到的信號(hào)進(jìn)行積分后輸入到MSP430單片機(jī)集成的12位ADC的模擬信號(hào)輸入通道，進(jìn)行12位的A/D轉(zhuǎn)換，然后由單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送程序送入主機(jī)存儲(chǔ)并顯示相應(yīng)的偽彩色圖像。

為了方便以后的軟件升級(jí)，在電路中預(yù)留了JTAG調(diào)試口可以隨時(shí)進(jìn)行軟件調(diào)試，并且將數(shù)據(jù)采集信號(hào)線，電機(jī)控制信號(hào)線和定位信號(hào)線統(tǒng)一用一個(gè)并行接口口輸出，方便系統(tǒng)安裝調(diào)試，從機(jī)部分硬件電路原理如圖2。

● 天線控制電路

使用MSP430F149的P1端口來(lái)控制兩個(gè)電機(jī)，每次輸出的是一個(gè)字節(jié)，它的高三位控制水平電機(jī)，中間三位控制縱向電機(jī)。由于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)柜要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平和信號(hào)電流比單片機(jī)I/O口輸出的信號(hào)電平和電流都高，同時(shí)為了使單片機(jī)的輸出電平不受驅(qū)動(dòng)放大電路的影響，使用了兩片光電耦合器TLP521為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

● 數(shù)據(jù)采集電路

MSP430F149具有12位ADC，輻射計(jì)輸出信號(hào)可直接送入該單片機(jī)進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換而無(wú)需外圍擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換芯片，多種不同的采樣模式可以有效降低軟件的復(fù)雜度。由于需要定時(shí)利用單個(gè)通道接收信號(hào)，因此采用單通道單次采樣的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

● 通信電路

MSP430F149與PC機(jī)的通信采用RS232串行通信總線，采用HARRIS公司生產(chǎn)的ICL232作為RS232電平轉(zhuǎn)換芯片。

● 定位電路

在微波成像系統(tǒng)中，為了防止電機(jī)的失步，保證天線掃描場(chǎng)景與PC機(jī)所成圖像場(chǎng)景一致必須在單片機(jī)上外加定位電路，使得天線掃描一周后能夠確定天線的零位，在天線的轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝一個(gè)撞針，并接單片機(jī)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(dāng)天線旋轉(zhuǎn)至零位時(shí)，撞針與地線接觸，發(fā)生短路，P2.0端口電平變?yōu)?V，單片機(jī)檢測(cè)到電平發(fā)生跳變，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷信號(hào)，由此判定天線是否到零位。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(tǒng)統(tǒng)一外接5V電源，用電壓轉(zhuǎn)換芯片EZ1085C-3.3將5V的電壓轉(zhuǎn)換為3.3V為單片機(jī)供電。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

● 功能需求及流程

微波輻射成像系統(tǒng)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(jī)以一定的速度旋轉(zhuǎn);按一定的采樣速率采集輻射計(jì)輸出的電壓值;實(shí)時(shí)在顯示器上顯示輻射成像系統(tǒng)掃描的場(chǎng)景的偽彩色圖像;存儲(chǔ)輻射圖像到硬盤(pán);打印輻射圖像;

（2）對(duì)已有的輻射圖像重現(xiàn)、觀察和分析;

（3）對(duì)輻射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)計(jì)算;

（4）單獨(dú)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以不同的方式運(yùn)動(dòng)。

其中MSP430單片機(jī)要完成的工作有：接收主機(jī)發(fā)送的命令參數(shù)，利用機(jī)內(nèi)的定時(shí)器定時(shí)中斷，中斷處理程序決定是否驅(qū)動(dòng)電機(jī)走一步或采樣一點(diǎn);要采樣一點(diǎn)，從數(shù)據(jù)端口讀入輻射計(jì)接收機(jī)的輸出信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)走一步，對(duì)片上I/O端口發(fā)出一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖。以上的操作周期為毫秒級(jí)。單片機(jī)與PC機(jī)通過(guò)串行通信端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

程序流程圖如圖4所示。

● 天線掃描方式選擇及實(shí)現(xiàn)

在微波輻射測(cè)量中，采用天線主波束掃描可以對(duì)所感興趣的場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)量成像。由于輻射計(jì)相對(duì)場(chǎng)景是固定的，故須采用二維機(jī)械掃描。

在二維機(jī)械掃描過(guò)程中，根據(jù)采樣方式的不同，通?？梢圆捎脙煞N方式。

在鐘擺掃描方式中，天線如鐘擺一樣在一維往返掃描，每條掃描線均進(jìn)行采樣，一行掃描完后，天線的另一維抬高一個(gè)角度繼續(xù)掃描下一行，直到掃完全部區(qū)域。根據(jù)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(jī)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(jī)械校正來(lái)彌補(bǔ)。

在圓周掃描方式中，通常是天線的水平一維以勻速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在一定的角度范圍內(nèi)采樣，每旋轉(zhuǎn)一周后，縱向一維抬高一個(gè)角度。它的機(jī)械實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，有足夠的時(shí)間和空間定標(biāo)，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(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)機(jī)都不相同，因而保證它們的連續(xù)變相就十分重要，否則，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)就不會(huì)平穩(wěn)，容易損壞，因此要有精確的時(shí)鐘定時(shí)裝置對(duì)系統(tǒng)的電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行中斷操作，才能使兩臺(tái)電機(jī)分別或者同時(shí)平穩(wěn)的運(yùn)行，采樣位置準(zhǔn)確。在程序中采用了MSP430單片機(jī)片內(nèi)的16位定時(shí)器Timer_A進(jìn)行定時(shí)中斷，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，首先根據(jù)主機(jī)發(fā)送的命令參數(shù)計(jì)算出掃描和采樣所需要的定時(shí)時(shí)間，然后預(yù)置相應(yīng)的定時(shí)器最大計(jì)數(shù)值（最大不超過(guò)65536），定時(shí)器從0計(jì)數(shù)至最大值時(shí)發(fā)生中斷，進(jìn)入中斷子程序，根據(jù)程序設(shè)定的標(biāo)志位mxy判斷是水平還是垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，如果要控制水平電機(jī)，則調(diào)用go_stepx（cw，direction_x）函數(shù)，該函數(shù)讀出P1端口前三位，根據(jù)其值確定下一相的控制字cw，同時(shí)，該函數(shù)返回改變后的cw值，可供下一次調(diào)用。如果要控制縱向電機(jī)，則調(diào)用go_stepy（cw，direction_y）函數(shù)讀出P1端口中間三位，它也返回改變后的cw值，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)走一步，執(zhí)行完畢后返回主程序。當(dāng)電機(jī)走過(guò)相應(yīng)的采樣步數(shù)后，程序發(fā)生中斷，進(jìn)入采樣處理程序。

數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

采樣處理程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先將ADC12控制寄存器中的ADC12SC和ENC置位，將輸入信號(hào)送入采樣保持電路，然后將ADC12SC復(fù)位，停止采樣，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)并存入選擇的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器，單片機(jī)通過(guò)片內(nèi)的異步通用串行模塊將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入主機(jī)內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像處理。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)將天線控制及數(shù)據(jù)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，減少了線路損耗，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而降低了成本并且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。