基于单片机的微波辐射计数控单元设计与实现

    微波辐射计是用微波进行遥感，从而对地物进行探测的微波接收机，在探测大气、海洋、植被和土壤等方面有广泛应用，而数据处理与控制单元作为微波辐射计的重要组成部分，承担了所有的驱动及控制功能，对时序及精度要求十分严格。由于系统对可靠性要求较高，故采用单片机作为220 GHz微波辐射计数控单元的核心，通过精确的时序控制，实现了数据采集、天线控制、状态提取、串口通信等功能。同时，该数控单元具有功耗低，采样精度高，接口简便等特点。

1 系统结构
    微波辐射计结构框图如图1所示，由检波器输出的模拟信号通过数控单元实现数据采集及传输、显示与数据处理等功能，并对系统时序、上下电等进行控制，在辐射计的设计中处于重要位置。

1．1 数控单元硬件结构
    系统由单片机、高速A／D转换器、程序存储器ROM、高速静态RAM、读写控制电路、通信电路等部分组成，如图2所示。通过锁存器实现地址总线和数据总线的复用，同时，RAM的读写由读写控制电路来实现。
    数控单元采用Atmel公司的AT89C51单片机作为控制器，具有4 KB闪存ROM，128 B RAM，支持电擦除1 000次，选择工作频率为11．059 6 MHz。同时采用AT28C256扩展程序存储器ROM为256 KB，IDT71256扩展数据存储器RAM为256 KB，通过锁存器54HC573进行分时复用。
    数据采集部分采用AD公司的16位并行模数转换器AD976A，采样速率可达200 KSPS。该高速A／D采用电荷重分布技术进行逐次逼近型模／数转换，因而不必外加采样保持器。电压输入范围为-10～+10V，分辨率高，可做到16位不失码，满足微波辐射计数控精度要求。
    AT89C51串行口输出为TTL电平。为使其与PC机标准RS 232串口通信，系统选用MAX232电平转换芯片。
1．2 硬件设计与实现
1．2．1 数据采集
    单片机初始化完毕后，通过片选信号选中A／D转换器，把RAM的控制权交给采集电路。AD976A进行数据采集时，置CS引脚固定为低电平，则转换时序由 R／C信号的下降沿控制，信号脉冲宽度至少为50 ns。当R／C变为低电平时，BUSY信号也变为低电平，标志转换结束，则移位府存器中的数据被更新的二进制补码替代。设计中，由于256 KB数据存储器仅需要15位地址A0～A14，则使用A15与RD，WR共同作为控制线，使A／D转换与数据存储交替工作。当A15低电平时，选通数据存储器IDT71256，此时CS为高电平，则AD976A停止工作；当A15为高电平时，通过与非逻辑电路使CS为低电平，选通AD976A，并通过WR 的变化提供R／C下降沿，这样可以通过软件延时精确控制采样率。
1．2．2 总线控制
    在数控单元硬件结构中，采用P0口提供数据总线和地址总线，当ALE输出信号为高电平时，P0口，输出数据锁存入总线驱动器中地址的低8位，同时和P2口送出的高8位地址组成完整的16位地址，寻址到外部的256 KB地址空间，由A／D转换器把采集到的数据存入静态RAM中。由于P0口是数据与地址分时复用口，因此引进74HC573作为地址锁存器。同时，使用 RD作为读取外部数据内存的控制线；WR作为写入数据到外部内存的控制线；PSEN作为存取外部程序存储器的读取控制线。
1．2．3 电机控制电路
    天线驱动控制部分通过上位机发送电机启动命令，单片机从串口接收到启动命令后，向电机驱动器AKS230发出节拍脉冲，以带动天线匀速转动；通过编程控制P1．0口输出节拍脉冲速率，即可控制天线转速。当上位机发出停止命令时，通过单片机程序提取天线状态，保证天线启停处于同一位置。考虑到单片机输出电流与电机驱动电流的匹配问题Ⅲ，这里使用总线驱动器74LS245与单片机相连，输出电流可达20 mA，满足电机驱动要求。
1．2．4 串口通信电路
    串口通信部分通过AT89C51内部的全双工串行通信接口RXD和TXD进行发送和接收。AT89C51串行接口有四种工作模式，本设计中，串口工作于方式1，波特率可变，通过定时器T1进行溢出率控制，令T1工作于方式2，由于波特率为(2SMOD／32)·(fOSC／12)·[1／(28- TH1)]，则通过计算可得T1装载值为0xFA，波特率为9 600 b／s。这里选用MAX232完成TTL到EIA的电平转换。

2 软件设计
    单片机软件部分采用了模块化的设计方法，按照功能分为数据采集及存储、电机运行控制及状态提取、串口发送与接收几部分，各个模块之间通过中断或子程序调用等进行连接，有机地成为一体，整个系统已经使用Medwin 3．O调试并能够成功运行。
    数据采集部分包括初始化、信号采集及存储，采集速率通过编程进行控制，实现每10 ms采样一个电压值，并存人0100H～01C8H的地址空间中，采集100个数据后调用中断通过串口传给上位机进行后续处理。每次系统上电时，采集部分复位并从头运行，数据采集部分程序流程图如图3所示。

    电机运行控制部分通过中断接收串口命令，以实现电机的精确启动和停止，从而控制天线的扫描状态，当串口发送5500h时电机停止；当发送55ffh时电机启动。其重点在于精确读取天线的转角状态，保证电机启动和停止处于同一位置。主要通过软件计数来实现，由于电机步进角为1．8°且采用32细分，则每转一圈步数为：360°／(1．8°／32)=6 400步，通过读取计数值，实现对电机启动停止位置的控制。电机控制部分程序流程图如图4所示。

    串口通信部分采用中断方式，包括串口初始化和串口传输两部分，通过发送标志TI和接收标志RI判断中断类型，若为接收中断，则接收上位机命令，控制电机启动和停止；若为发送中断，则实现每次间隔1 s向上位机发送100个电压值，即200个字节。其中，串口通信部分流程图如图5所示。

3 上位机软件设计
    上位机软件主要通过C#实现，通过调用串口实现对下位机的控制及数据的后续处理，并能够实时显示采集数据波形并保存。界面如图6所示

4 结 语
    单片机控制简便，接口方便，实时性强。基于这些优势，该文设计的微波辐射计数控单元不仅能够精确控制天线转动状态，控制天线启、停，而且能够在天线接收外界信号的同时，对信号进行转换、采集、通信并显示输出，实时地反映信号的变化和被观测目标的特性，通过使用低功耗的16位A／D提高了转换精度，且速度可调，完全满足微波辐射计的系统要求，在实时观测方面具有广泛应用。