（信号与信息处理专业论文）毫米波辐射计数据获取分系统设计及单通道系统实现.pdf

中文摘要 中文摘要 毫米波辐射计系统主要震于探测物诲辐射费毫米波笺量，并剩用物体酶辐射强 度差异来实现无源成像，其成像机理类似于红外成像。毫米波无源成像具有其独 特的技术优势，它能穿透烟云雨雾、战场硝烟等，具有全天时、全天候工作熊力； 且黯毒 金属材料具有穿透性，因此具有一定鲍反伪装麓力；囊予被动接收信号， 不易被发现，生存能力大大增强；入工物体辐射与背景辐射差辩更大，成像对比 度高，有利于目标的探测与识别。这些特点使其在某些应用中具有其他成像技术 不可替代的优势。因两在场面监视、飞枕盲着陆、战场监视、军事装察、反恐斗 争等领域串均有着重大应用徐值。 本论文依托具体的科研项目，根据毫米波辐射计原理对多通道毫米波的系统 进彳亍了研制，并设计了单通道毫米波辐射计，利用此辐射计进行了部分实验；具体酶 研究内容和成果总结翔下： ( 1 )总结了毫米波辐射计的国内外发展动态及熟成像的一般理论和原理；讨论 了几糟典型的辐射计结构及其特点，确定了本论文研究的辐射计类型。 ( 2 ) 进萼亍了多逶道毫米波辐射计系统方案设计，确定了系统结构，系统时痔， 工作流程、系统接豳关系。 ( 3 )进行了系统部分模块的基本方案设计及硬l 牛选型。 ( 4 )进行了多透道毫米波辐射计惘服系统方案设计和硬 孛选型。 ( 5 )进行了单通道毫米波辐射计验证实验系统设计，完成了信号处理单元的设 计和研制。 ( 6 ) 剩溺单通道毫米波辐射计完成了相关的实验和验证。 关键递：多逶道辐射计，单通道辗射计，数据采集，饲鞭系统 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e s y s t e mo f m i l l i r n e t e rw a v er a d i o m e t e ri sm a i n l yu s e dt od e t e c t i n gt h er a d i a t i o n e n e r g yo f o b j e c t , a n du s et h ee n e r g yd i f f e r e n c eo f o b j e c tt oi m a g i n g t h et h e o r yo f t h i si s t h es a l t l ea st h ei n f r a r e do b j e c ti m a g i n g b yi t ss p e c i a lt e c h n i q u ea d v a n t a g e ，i tc a l l p e n e t r a t et h r o u g hc l o u d s ，r a i n , f o ga n ds m o k e i 羹b a t t l e f i e l d e t e a l s oi tc a nh a v eaw h o l e d a y , a l l - w e a t h e rw o r ka b i l i t y , a n dc a l lp e n e t r a t et h r o u g ht h en o n m e t a lm a t e r i a l ，s oi th a v e ac e r t a i na n t i - c a m o u f l a g ea b i l i t y ；b e c a u s ei tp a s s i v er e c e i v es i g n a l ，n o te a s i l yt ob e d e t e c t e da n dt h i sg r e a t l yi m p r o v e dt h ev i a b i l i t y ；t h ed i f f e r e n c eo ft h er a d i a t i o ne n e r g y b ya r t i f i c i a lo b j e c ti sm o r el a r g e ra n dt h ec o n t r a s td e g r e ei sm o r e 醛g h ，t h i si s a d v a n t a g e o u st o at a r g e td e t e c t i o na n di d e n t i f y t h e s ec h a r a c t e r i s t i cm a k ei th a v e u n s u b s t i t u t a b l ea d v a n t a g ei ns o m ea p p l i c a t i o n sb yo t h e ri m a g i n gt e c h n i q u e , a sar e s u l t i th a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u ei nt h er e a l mo fs c e n es u r v e i l l a n c e , t h ea i r p l a n e sb l i n d t ol a n d , b a t t l e f i e l ds u r v e i l l a n c e ，t h em i l i t a r yp r o b ea n da n t i t e r r o r i s ms t r u g g l ee t c t h i st h e s i sa c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e rh a v er e s e a r c h e d t h em u l t i c h a n n e lm i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e rr e l i e so nt h er e s e a r c hi t e m , a n dd e s i g n e d t h es i n g l e c h a n n e lm i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e r , u s e di tw ed os o m ee x p e r i m e n t sa n dh a v e g o ts o m ei m p o r t a n tr e s u l t s t h ec o n c r e t er e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h er e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) s u m m a r i z e dt h ed y n a m i cs t a t eo fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la n dt h ep r i n c i p l eo f i m a g i n g ；i m m e d i a t e l ya f t e rd i s c u s s e dt h em o d e l 、t h es t r u c t u r ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c so f s e v e r a lt y p i c a lr a d i o m e t e r s ，m a k es u r et h et y p eo ft h er a d i o m e t e rw h i c ht h i st h e s i sw a n t t os t u d y ( 2 ) d e s i g n e dt h es c h e m eo fm u l t i c h a n n e lm i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e r , d i s c u s s e dt h e s y s t e ms t r u c t u r e ，t h ew o r k i n gt i m e ，t h ew o r kp r o c e s s 3 ) d e s i g n e dt h eb a s i cs c h e m eo fs o m ep a r t so ft h es y s t e ma n dh o wt oc h o o s eap a r t a c c o r d i n g t ot h es y s t e mt a r g e t ( 4 ) d e s i g n e dt h es c h e m eo ft h es e r v es y s t e ma n de n s u r e dt h ep a r t so fs e l w os y s t e m a c c o r d i n g t ot h es y s t e mt a r g e t a b s t r a c t ( 5 ) t a k e np a r ti nt h ed e s i g no ft h ev e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mo nt h es i n g l e c h a n n e lm i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e r ；f i n i s h e dt h ed e s i g no ft h es i g n a lp r o c e s s i n gu n i t ( 6 ) f i n i s h e dt h er e l a t e de x p e r i m e n t sa n dt h ei d e n t i f i c a t i o nb yu s i n gt h es i n g l ec h a n n e l m i l l i m e t e rw a v er a d i o m e t e r k e y w o r d s ：m u l t i c h a n n e lr a d i o m e t e r , s i n g l ec h a n n e lr a d i o m e t e r , d a t as a m p l e ，s e r v o s y s t e m i i l 独创性声明 本入声甓所呈交的学位论文慧本人在导灏指导下进行的研究工 作及取褥的研究成果尊据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其链太愁经发表或撰写过熬磅究成粟，毽不毯含 为获褥电子科技大学或其它教育撬梅熬学谴或涯书两镬嬲过翳材料。 与我一瓣王嚣熬璃惑对零硒究所皴麓饪簿茭献均邑在论文孛终了骥 确蕊说鹱并表示谢意。 签名：挞l 黜孑年岁月知西 关于论文使用授权的说瞬 本学位论文律誊完全了解魄子科技大学畜美僚餐、搜孀学短论文 黪毵是，膏投爨譬舞鑫澄家翁美蒸蠢蠛撬掏送交论文的复零粹帮磁 盘，兔许论文被套阕褥借阕。奉入授权电子科技大学可以将学位论文 酶全部或部分巍容编入藉关数据瘁进季检索，可潋采用影簿、编印域 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密蜃应遵守此援定) 签名：导师签名：逝 霾裳j 必矿年岁月穸静舀 第一章绪论 第一章绪论 1 1毫米波辐射计技术发展现状 毫米波波长短，相应的波长为l o m m l m m ，用小尺寸的天线就能获得高的空 间分辨率，可以实现高几何分辨率的观测。另外，毫米波系统具有较好的系统隐 蔽性、抗干扰能力强等特点，具有很强的侦察和反侦察能力。同时，毫米波穿透 能力强，对于存在云、雾、烟和尘埃等环境的战场侦查能力相比微波和红外频段 具有一定的优势，且随着毫米波器件水平的提高和高速信号处理技术的发展，毫 米波辐射计系统对军事侦察、环境遥感、反恐安检等领域具有重要的应用前景。 毫米波目标探测技术可以认为是把人们十分熟悉的红外和光学目标探测方法 推广到毫米波波段。尽管一般物体的毫米波辐射强度远远低于其红外辐射强度， 但是由于毫米波探测系统的接收性能的不断改善，接收机高频前端具有较低的噪 声系数、较高的功率增益和较宽的频率带宽，毫米波探测系统的探测灵敏度已经 明显提高【l 】，在一定程度上也弥补了其不足之处。 毫米波目标探测技术按工作模式又分为有源毫米波目标探测和无源毫米波目 标探测。有源毫米波目标探测是系统自身发射毫米波辐射，并接收从目标反射回 来的电磁波。有源毫米波探测系统( 即成像雷达) 从功能上讲应有一部发射机，一部 接收机及它们共有的天线1 2 1 。它具有很好的空间分辨率和辐射测量能力，但其存在 一个很大的弱点就是目标的角闪烁效应，即雷达距目标较近时，由目标闪烁带来 的测角误差相当严重，甚至丢失目标，而且设备复杂，体积较大，要向外发射能 量，在军事应用中不具有隐蔽性，抗干扰能力较差。 无源毫米波目标探测是近年获得广泛注意的一项新型目标探测技术，其系统 自身不发射毫米波波束，只是接收目标物发射或散射的毫米波辐射，能够很好的 克服目标的角闪烁效应。无源毫米波探测器又叫毫米波辐射计，它由一部毫米波 接收机和天线组成，可以利用体积相对较小的设备获得较好的辐射测量能力。与 有源雷达成像相比，基于辐射计的毫米波无源成像技术具有以下特点： ( 1 ) 被动接收信号，不易被敌方所发现，战场生存能力大大增强。 ( 2 ) 接收的物体热辐射信号频带宽，所成图像外形准确、层次丰富，利于目标 1 电子科技大学硕士学位论文 识别。 ( 3 ) 利用物体自身的辐射，物体形状和反雷达涂层对成像效果影响很小，利于 反隐身。 正是蠢于毫米波辐射计拥有这些优点，1 9 9 8 年美国t h e r m o t r e x 研制出了其第 一代被动毫米波实时成像照相机( p m c 一1 ) ，该系统工作于w 波段，图像刷新率 2 h z ，单帧亮温分辨力1 5 k ，从1 9 9 9 年下半年开始，该公司对其进行改进，改进 了相位和频率处理技术，新系统图像刷新率大大提高。为了改善系统的尺寸、重 量、成本、视场范围以及成像质量，2 0 0 3 年该公司开始了研制第二代无源毫米波 照相机研制工作( p m c 2 ) ，并己进入装配测试阶段，第二代无源实时成像系统工 作频率7 s 一9 5 g h z ，图像刷新率3 0 h z ，角分辨力o 。3 5 0 ，亮温分辨力2 1 k ，视场范 藿3 0 0 x 2 4 0 。 1 9 9 7 年，美国t r w 公司的研究人员公布了其正在研制中的无源毫米波照相 机。该系统由1 0 4 0 ( 4 0 h x 2 6 v ) 通道构成的焦平面阵组成。该系统高度集成，采 用m m i c 电路模块纯设计，将4 0 路通道集成到一个模块电路上( 霹整个系统由 2 6 个模块电路组成) 。2 0 0 1 年开始，t r w 公司开始为美国海军研制舰载大口径无 源毫米波实时成像系统，该系统采用2 行1 2 0 通道组成线阵，采用推帚式扫描一 周可以形成3 6 0 0 x 3 0 0 的褫场范围。系统中心频率8 9 g h z ，带宽1 0 g h z ，主要用于 大型舰艇周围海面监控，防止针对舰艇的恐怖袭击。 2 0 0 2 年，乌克兰国家冰山研究中心发表了其研制的毫米波无源成像系统，该 系统采用3 2 元( 2 h x l 6 v ) 焦平面阵，反射面天线直径为0 。5 5 m ，在积分时闻力1 秒时，系统亮温分辨力 0 1 k ，而空间分辨力为l o 。该系统获得了与光学戒像相近 似的场景效果。 2 0 0 4 年，英国国防评估研究中心和圣安德鲁大学联合研制出了9 4 g h z 实时枫 械扫攒被动毫米波成像器。该系统采用旋转式扫描辊制，其图像刷新率已达到视 频速率，视野3 0 0 6 0 0 。 2 0 0 5 年英国瑞丁大学、冰岛的f a r r a n 技术宥限公司、j o h n s o nc s m i t h 大学和 n a s a 格伦研究中心联合研制个离性能的光机械扫描毫米波成像器，爨：成像器 采用了两个倾斜于旋转轴反向选的镜子，采用线性接收阵列时，此成像器的速度 可以达到视频速率。 2 第一章绪论 我国辐射计的研究工作2 0 世纪7 0 年代开始起步，8 0 年代研制成功主要用于 海洋监测的8 m m 机载全功率扫描辐射计，但系统空间分辨力比较低，9 0 年代开展 机载星载多极化辐射计成像系统的研究。国内现在有多家科研单位正在开展毫米 波辐射计系统的研制工作，并取得了一些成果。 本课题组也展开了对毫米波辐射计无源成像的理论和关键技术研究，已获得 场景和金属目标的单通道扫描成像结果。其中研制的高性能毫米波接收前端关键 组件，已经应用于国内多家单位研制的辐射计系统中。这些成果对于本项目的研 究奠定了重要理论基础。 1 2项目背景及论文主要工作 本论文依据具体科研项目，对多通道辐射计系统结构方案，多通道辐射计系 统时序进行了设计，并对信号处理单元的部分模块提出了方案设计，完成了多通 道辐射计扫描伺服单元的方案设计。同时为了验证多通道毫米波辐射计的成像理 论及相关技术指标，完成了单通道毫米波迪克式辐射计系统设计，并利用此系统 完成了典型物体成像实验。本论文的大体工作可以概括如下： ( 1 ) 完成了3m l t l 波多通道辐射计总体时序、工作流程和接口设计。 ( 2 ) 完成了3r l l l t l 波多通道辐射计数据采集单元基本方案设计。 ( 3 ) 完成了3r r l l r l 波多通道辐射计伺服系统方案设计。 ( 4 ) 完成了3m m 波单通道辐射计系统实现。 ( 5 ) 利用单通道辐射计完成了对金属和窗户等典型物体的成像实验，从实践上 证实了辐射计成像的可行性。 本文具体的结构安排如下： 第一章介绍毫米波辐射计概念，主要特点，研究现状，技术水平和发展趋势， 提出了全文的研究目标和结构安排。 第二章介绍了黑体辐射理论，辐射计工作原理，辐射计分类及关键性技术指 标的定义。 第三章介绍了多通道毫米波辐射计系统总体结构，系统总体时序，总体指标， 关键技术实现方案，重点阐述了多通道数据采集系统设计方案和伺服驱动硬件设 计。 第四章介绍了研究单通道毫米波辐射计的目的，单通道辐射计的硬件设计及 3 电子科技大学硕士学位论文 相应的软件设计。 第五章利用单通道毫米波辐射计进行成像实验并由成像实验得到毫米波能够 成像的结论。 第六章对全文的工作进行了总结，并在此基础上提出了对工作的展望。 4 第二章毫米波辐射计基本原理 第二章毫米波辐射计基本原理 2 1毫米波辐射基本概念 处于绝对零度以上的所有物质，由于分子能级之间或原予能级之间的跃迁， 都会辐射嬲电磁笼量哆量子理论解释了原子和分子的辐射机理。以原子形式存在 的气体在离散的频率上辐射电磁波具有线光谱，每根谱线对应于电子从一个能级 到另一个较低能级的特定的跃迁；若入射波的频率满足玻尔条件，则投射到原子 的能量被吸收，提供电子跃迁到较高缝级所必需的能量，所形成的吸收谱与发射 谱完全桷网。分子气体、液体和固体的辐射与吸收也可以按此解释，只不过他们 的结构更加复杂，以至于分子气体的谱线紧密地排列在一起，液体和固体的辐射 谱实际上成为连续的，在所有频率上都能辐射，个原子与其它原子或质点的碰 撞弓l 起原子的辐射发射，碰撞发生熬概率取决于原予的密度和它们的随机运动的 动能。因为物质的动能由它的绝对温度所决定，所以物质辐射能量的强度随它的 温度的增加而增加。 1 9 0 1 年，德国物理学家普朗克在量子理论的基础上提出了定量描述黑体辐射 特性的普朗克定律，从丽为我们研究物体的辐射特性提供了一个标准。一般来说， 投射到固体( 或液体) 物质表面上的辐射一部分被吸收，其余部分被反射。在所有频 率上吸收所有的入射辐射丽无反射的理想不透明的材料定义为黑体。由热力学平 餐条件可知，黑俸不仅是一个完全的吸收体，也是一个完全的发射体，因为没有 能量的发射，物质所吸收的能量将使它的温度上升。普朗克定律表明：黑体在所 有方向上都是以同样的光谱亮度辐射能量的，也就是说，黑体的光谱亮度是无方 向性的，它只是湿度和频率的函数，此定律的表达式如下： 岛= 等( 志) 协， 其中君，为黑体谱亮度，单位为w o m e s r o h z 。 h 为普朗克常数h = 6 6 3 x 1 0 圳j f 为频率，单位h z 5 电子科技人学硕十学位论文 k 为玻耳兹曼常数= 1 3 8 1 0 。2 3 j k t 为绝对温度，单位k c 为光速= 3 1 0 8 m j 。1 在辐射测量学中，对于非相干辐射的分布源( 如天空和地物) 定义了一个物理量 b ，称它为亮度。它表征了单位立体角、单位面积的辐射功率，其单位是形m s r 一 定义谱亮度为单位带宽的亮度。若满足矽k t 1 ，可以根据公式 e 。一1 = ( 1 + x + 二+ ) 一1 x ( x 位置控制回路频宽 ( 最外层) 速度回路增益直接决定速度控制回路的响应频宽，在机械系统不产生振动或 嗓音的前提下，增大速度回路增益值，则速度噙应会加快。位置回路增益巍接决 定位置回路的反应速度，在机械系统不产生振动或噪音的前提下，增加位置回路 增益值，可以加快反应速度，缩短定位时间。一般而言，位置网路频宽不可离于 速度圆路频宽。伺赧驱动器与电动机连接图如图3 1 l 掰示 2 9 l b 子科技大：学硕士学位论文 图3 1 l 伺服驱动器及电动机连接图 位置反馈单元主要功能是及时返回天线的角度信息，常见的位置传感器有光 电码盘及电子码盘，光电码盘容易损坏，故本系统采用旋转变压器制成的电子码 盘。旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定 频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系， 或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。它主要用于坐标 变换、三角运算和角度数据传输，也可以作为两相移相器用在角度一数字转换装 置中。按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分三大类旋转变压器： ( 1 ) 正一余弦旋转变压器。其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函 数关系。 ( 2 ) 线性旋转变压器。其输出电压与转子转角成线性函数关系。线性旋转变压 器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种。 ( 3 ) 比例式旋转变压器。其输出电压与转角成比例关系。 3 0 第三章多通道毫米波辐射计系统总体设计 正一余弦旋转变压器是按照电磁感应原理而工作的元件，其定、转子上都有 绕组，彼此同心安排，互相藕合联系，旋转变压器采用正交的两相绕组，定子和 转子由硅钢片和坡莫合金叠层制成，如图3 1 2 所示。 在各定子线圈加上交流电压，转子线圈中由于交链磁通的变化产生感应电压。 感应电压和励磁电压之间相关联的藕合系数随转子的转角而改变。因此，根据测 得的输出电压，就可以知道转子转角的大小。可以认为，旋转变压器是由随转角0 而改变且藕合系数为k s i n e 或k c o s0 的两个变压器构成的。 图3 1 2 旋转变压器线圈位置图 定子上两个绕组的励磁电压为 e s i = e c o s o ) t乓2 = e s i n o t ( 3 2 ) 转子两个绕组输出电压为 是三箍硎毫s i n e ) = c o s 8s i n e ) ：胁k e s 吣i n ( 似o ) t + 篇 俘3 ) 耳：= k ( e ：一巨。 = d 可见，转子绕组输出电压幅值与励磁电压的幅值成正比，对励磁电压的相位 移等于转子的转动角度0 ，检测出相位0 ，即可测出角位移。 图3 1 3 旋转变压器实物图 基于以上分析位置反馈单元采用f b 9 0 0 p 角度变送器。f b 9 0 0 p 角度变送器采 用旋转变压器作检测元件。取消了传统的s d 变换，提高了转换精度。运用最新检 3 1 电子科技大学硕士学位论文 测技术，将旋转物体转过的角度经微处理器进行处理后输出。该模块同传感器组 合相当于8 1 6 位的绝对编码器测量精度，并行口输出，完全可替代绝对式光电 编码器。其主要特点如下： ( 1 ) 高精度：1 圈输出2 5 6 - - - 6 5 5 3 6 个绝对码，无温漂、时漂，可以多圈测量。 ( 2 ) 高可靠性：传感器的绝对位置和可靠的软件计圈技术，保证了其高度可靠 性：且没有光电码盘的易损、易受干扰之缺点。 ( 3 ) 使用方便：即插即用，无须调整传感器的零位，可以在任意位置清零；模 块与传感器之间只需5 根线，免去码盘l o 2 0 条连线的烦恼。 相关技术资料如下： ( 1 ) 跟踪速度：15 0 0 r p m ( 5 0 h z ) ，6 0 0 0 r p m ( 4 0 0 h z ) 。 ( 2 ) 分辨率：3 6 0 2 5 6 3 6 0 6 5 5 3 6 度可选。 ( 3 ) 数据具有掉电保护功能。 ( 4 ) 2 0 位并行口输出，可设定为十进制或十六进制输出，电平可由用户提供 的d 设定。 图3 1 4f b 9 0 0 p 实物图 依据器件的选择可以得到如图3 1 5 所示的系统原理图，系统控制单元通过串 口与a d s p 2 1 1 6 1 通信，a d s p 2 1 1 6 1 利用自带的s p i 口将天线的位置信息传递给 f p g a 数据采集模块。由于伺服驱动单元j s d a 2 0 a 3 是直接控制电机转动部分，因 此为了减少其对a d s p 2 1 1 6 1 的干扰，在伺服驱动单元与a d s p 2 1 1 6 1 之间的数字 接口加入了光电藕合器。图中的d a c 0 8 3 2 是为了实现伺服驱动单元的速度模式控 制，由d a c 0 8 3 2 将a d s p 2 11 6 1 产生的数据转换成对应的模拟电压控制速度。位 置传感器f b 9 0 0 p 通过数据总线将天线的位置传给d s p 。 3 2 第三章多通道毫米波辐射计系统总体设计 图3 - 1 5 伺服系统原理图 3 5 2 3 3 扫描方式设计 辐射计伺服系统完成1 0 0 。x 8 。有两种方式霄供选择，其中方式一努图3 。1 6 所示 天线轨迹按照图中虚线方式运动，这种方式特点在于天线始终是从左向右扫描， 这样有利于数据的位置处理，不足之处在于天线的控制稍微复杂；另外种方式 如图3 1 7 所示，天线轨迹按照图中虚线方式运动，这种方式的特点在于天线的控 制简单，扫描速度快。 图3 1 6 扫描方式 3 3 铲 电子科技大学硕士学位论文 卜 图3 1 7 扫描方式二 3 5 2 4硬件电路设计 由伺服系统原理图可知伺服驱动单元跟位置传感器都是采用现成的产品，因 此硬件设计的主要工作在于d s p 的外围接口电路设计以及d a 转换的接口设计， 故下面重点介绍a d s p 2 11 6 1 的接口设计和d a c 0 8 3 2 的接口设计。 3 5 2 4 1 伺服单元控制器设计 伺服单元控制器采用a d i 公司的a d s p 2 11 6 1 。a d s p 2 11 6 1 主要特点如下【6 】： ( 1 ) 内部包括两个处理器p e x 和p e y ，每个处理器都由3 2 位i e e e 格式的浮 点运算单元，乘法器，累加器，移位寄存器和数据寄存器组成。 ( 2 ) 内部集成有d m a 控制单元可提高数据输入输出效率。 ( 3 ) 内部集成有串口和s p i 口，可以很容易实现与外围串行设备通信。 ( 4 ) 内部集成有2 个链路口，容易实现多处理系统。 ( 5 ) 芯片包括1 1 个f l a g 管脚，可以灵活的实现对外围设备的控制。 芯片的内部结构如图3 1 8 所示，工作时钟1 0 0 m ，片上r a m 大小为1 m b i t 该 芯片包括4 个串口，可以实现控制单元与信号处理单元( f p g a ) 和系统控制器 ( a r m 9 ) 之间的通信；其外部的1 1 个f l a g 管脚，可以用来灵活控制电机的各 种动作：外部的数据总线可以用来读取位置传感器的位置信息和电机驱动部分输 出的各种状态信息。h p i 口用来输出数字编码送给d a 转换器以实现电机的速度模 式控制。 3 4 第三章多通道毫米波辐射计系统总体设计 图3 1 8 芯片a d s p 2 11 6 1 内部结构图 ( 1 )j 讼g 接叠设计 j t a g 是i e e e l1 4 9 1 边界扫描测试的标准接阴。d s p 的软件设计过程中都需 要利用j t a g 接口实现d s p 程序的加载，内部寄存器的读取，程序断点设置，变 量的观察等功能。当d s p 程序代码加载时，d s p 处于停止状态，一量程序加载完 成后d s p 将全速运行程序。j t a g 连接头由1 4 个管脚构成，其硬件示意图如图3 1 9 所示，它主要有两类信号线，一类信号线主要用于硬件仿真包括t m s ，t c k ，t d i ， t d o ，藏蟊，面历。另一类信号线主要焉于板级测试包括b t c k ，b t d i 和厕。 2 3t x s8 7 墨 91 8 一 ” 2 一 1 31 4 图3 1 9j t a g 处理器连接头示意图 3 5 电子科技人学硕士学位论文 为了实现程序的在线调试，在设计d s p 硬件电路时必须设计d s p 豹j t a g1 2 1 ， a d s p 2 1 1 6 1 的j t a g 接口设计如图3 2 0 所示，图中t d i ，t c k ，t m s 信号脚都接 有4 7 k 的上拉电阻以防止噪声干扰，7 4 h c 2 4 4 在这里的主要目的是为了增加电流 的驱动能力。 图3 2 0j t a g 接1 2 1 硬件连接图 ( 2 ) d s p 电源设计 a d s p 2 1 1 6 1 内部需要露种不同的电压供电，一种是a d s p 2 1 1 6 1 的内核电压， 要求为1 8 v ：一种是i o 口驱动电压，要求是3 3 v ，这两种电压般情况下应同 时上电，在设计过程中为了保护d s p 的内核，需要在两种供电电源之间加入肖特 基二极管，以防止因上电顺彦不对而烧坏d s p 器件。电源设计原理图如图3 2 l 所 示。 ( 3 )串口设计 图3 2 1a d s p 2 11 6 1 电源设计示意图 3 6 第三章多通道毫米波辐射计系统总体设计 a d s 挖l1 6 1 有4 个独立的同步率行盈s p o 骶0 ，s p o r t l ，s p o r t 2 ，s p o 躲3 ， 这些串翻的主要结构如图3 2 2 所示，其功能特征有： 独立的收发功能。 可发送字长3 - 3 2 b i t 的数据，可醚选择低位先发或高位先发方式。 以链式d m a 完成多块数据传输传送。 硬件的a 律、u 律压扩功能。 串行时钟和帧同步可以内部产生或从外部输入，频率范围最高可达到 时钟频率。 在处理器核控制下，可实现由中断触发的与片内存储器单字传送。 能够与片逡存储器进行d m a 传送。 每个串行通信口有4 根信号线： 数据线d x a ：第x 口数据线，可以根据需要配置成发射端或者接收端。 数据线d x b ：第x1 2 i 数据线，可以掇据需要配置成数据发送端或者接 收端。 帧同步信号f s x ：第x1 2 1 帧同步信号豳。 时钟信号s c l k x ：发送或接收时钟信号。 m 图3 - 2 2a d s p 2 1 1 6 1 串叠绪构图 a d s p 2 11 6 1 的串翻不是u a r t 标准形式，不能与r s 2 3 2 等异步设备通信，可 以利用2 个f l a g 管脚模仿异步收发数据与r s 2 3 2 设备通信。为了实现 3 7 电子科技人学硕十学位论文 a d s p 2 1 1 6 1 与系统控制模块之间的窜囵透信，在设计串日时还必须使用串蹋电平 转换芯片，本项目中使用m a x 3 2 2 3 e 作为a d s p 2 1 1 6 1 与系统控制单元之间的电 平转换芯片，其具体电路连接图如图3 2 3 所示。 圈3 - 2 3 率蜀连接圈 ( 4 ) 抗干扰设计 要达到良好的系统控制效果需要在系统设计中非常注意它的抗干扰性和可靠 性。本系统由于采用嵩速d s p 作为核心处理器，它的高频信号不仅容易受到干扰， 而且也会成为系统的干扰源，因此有必要对整个系统，特别是d s p 部分的抗干扰 及保护做更多的处理。控制系统的电源及功率驱动部分抗干扰措施主要是从“防 和“抗两方面入手。其总原则是：抑制或消除干扰源；切断干扰对系统的藕合 通道；降低系统对于扰信号的敏感性。在a d s p 2 11 6 1 的供电管脚加上大小不等的 滤波电容，在a d s p 2 1 1 6 1 跟伺服驱动模块之间使用光电藕合器来降低驱动模块对 d s p 的干扰，其电路连接图如图3 2 4 所示。 3 8 第三章多通道毫米波辐射计系统总体设计 工， 二一e 2 + 一e 3 o c 4 砖w ；工1 0 带一 0 1 萎 2 k一。2fl 。一l m1l一，hi rollu ： vvv 卓多( vvv 勰 l 。j v 嗽* 彰( a d s p 2 l1 6 1 w f 1a g 0 h l彰(d r e l i n k l s o nf l a g l g l 惭 v 、x 贤n 2 a l r s姒e ；2 g 2 黧薹 3 p c 辩t到0 婚3 。幸 。【 霹 e c 戳嚣。武汉 g 3 f 王a g 5 f l f i i * 8 l o c 筻 f 1 直g 6 f 4 vvy 章多( 9 e m c f l a g 7 f 2 1 2 m d c f l a g 8 e 3 以、心、*j ， ! p u l g e f i 舶9 碍f 彰( ，i ) p u l s e 蜀i a g l 8 翟r r 9k f k a g l l | 弱 廿 4a d s 2 11 6 1 伺服驱动模块之间电路连接豳 3。2。4。2d a 转接酲设计( 1 引脚功能 8 3 2 是双列直插式8 位d a 转换器。能完成数字量输入到模拟量( 电流) 输出换。图325和图326分别为dac0832的引脚图和内部结构图。其主要 参数分辨率力8 谴，转换时闻为l1 ts ，满程误差为1 l s b ，参考电压为p l o 1v，供电电源为(+5+15)v，逻辑电平输入与ttl兼容。从图326中可知， 在d0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号 为i，第二级锁存器称为dac寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号xfer。 6 中，当i l e 为高电平，片选信号c s 和写信号w r l 为低电平时，输入 寄存制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当wrl 由低变高时，控制信号成为低毫平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这 样输存器的输出端不再随外部数据的变化蔼变化。 图35d a c 8 3 2 内部弓 脚3 9 电子科技大学硕士学位论文 对第二级锁存来说，传送控制信号x f e r 和写信号w r 2 | 霹时为低电平时，二 级锁存控制信号为高电平，8 位的d a c 寄存器的输出随输入丽变化，此后，当脚r 2 由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到d a c 寄 存器中。 图3 。2 5 中其余各引脚的功能定义如下： ( 1 ) d 1 7 - - d 1 0 ：8 位数据输入端，d 1 7 为最高位。 2 i o u t l ：模拟毫流输出端l ，当d a c 寄存器中数据全为l 时，输凄电流 最大，当d a c 寄存器中数据全为0 时，输出电流为0 。 ( 3 ) i o u t 2 ：模拟电流输出端2 ，i o u t 2 与i o u t l 的和为一个常数，即i o u t l + i o u t 2 = 常数。 ( 4 ) r f b ：反馈电阻引出端，d a c 0 8 3 2 内部已经有反馈电阻，所以r f b 端可 以直接接n 乡 i - 部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻按在运 算放大器的输如端和输入端之间。 ( 5 ) v r e f ：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它 决定0 至2 5 5 的数字量转化出来的模拟壁电压值的幅度，v r e f 范围为 p l o 1 0 ) v 。v r e f 端与d a 内部t 形电阻网络相连。 ( 6 ) v e t ：芯片供电电压，范围为( + 5 + 1 5 ) v 。 ( 7 ) a g n d ：模拟量地，即模拟电路接地端。 ( 8 ) d g n d ：数字量地，即数字电路接地端。 图3 - 2 6d a c 0 8 3 2 内部结构图 第三章多通道毫米波辐射计系统总体设计 ( 2 ) d a c 0 8 3 2 的工作方式 d a c 0 8 3 2 可处予三种不同的工作方式： ( 1 ) 直通方式：当i l e 接高电平，c s 、w r l 、w r 2 丰1 x f e r 都接数字地时， d a c 处于直通方式，8 位数字量一旦到达d 1 7 d 1 0 输入端，就立帮加到 8 位d a 转换器，被转换成模拟量。 ( 2 ) 单缓冲方式：只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式，而用另一个 锁存器数据，d a c 裁霹处于单缓冲工作方式。 ( 3 ) 双缓冲方式：主要是以下两种情况下需要用双缓冲方式的d a 转换。 需在程序的控制下，先把转换的数据输入输入缓存器，然后在某个时 刻再窟动d 袁转换。 在需要同步进行d a 转换的多路d a c 系统中，采用双缓冲方式，可以 在不同的时刻把要转换的数据打入各d a c 的输入寄存器，然后由一个 转换命令圈时启动多个d a c 转换。 ( 3 ) d a c 0 8 3 2 的应用 图3 。2 7 为a d s p 2 1 1 6 1 和d a c 0 8 3 2 直通方式输出连接图，运放输出电路输出 电压为= 一( ) 2 5 6 ) * ，例如向d a c 0 8 3 2 传送的8 位数据量4 0 h ( 0 1 0 0 0 0 0 0 b ) ， 为5 v 时输出电压= - - ( 6 4 2 5 6 ) 5 v =