（信号与信息处理专业论文）探地雷达数据采集和显示的实现.pdf

摘要 本课题完成探地雷达的嵌入式l c d 液晶显示单元的设计和制作。本课题作 为探地雷达系统的个部分，完成对天线单元输出的模拟回波信号的量化、采集、 显示、处理，以及数据的读入和存储。在综合分析需求后，本文选择以p c 1 0 4 总线为基础嵌入式s b c ( s i n g l e b o a r d c o m p u t e r ) 作为处理平台主体，p c 1 0 4 接 口的p c m 一3 7 1 8 h 作为数据采集模块。本文首先简要介绍了硬件平台的特点和选 择原理，然后介绍了利用该硬件平台完成信号采集的原理、过程和方法。接着详 细讲述了完成信号数据的显示的程序设计原理和方法，其中着重讲述了b 扫图像 的缩放原理。各部分都给出了详细的程序流程或说明。 本人的主要工作包括： 1 ，完成l c d 液晶显示单元各部件的选型 2 完成与天线单元的联接，完成了对天线单元输出的模拟回波信号的采 集； 3 完成采集数据的实时显示 4 完成后期显示时b 扫图像的整体或部分的缩放功能 5 完成数据的存储和读取 6 完成合成孔径算法的函数移植，能进行合成孔径成像处理并显示 7 完成以上程序从通用p c 平台和嵌入式s b c 平台间的程序移植工作。 关键词探地雷达p c 1 0 4 总线p c m 一5 8 1 2p c m 一3 7 18 h 数据采集图像缩放 数据存储 a b s t r a c t i nt h i ss u b j e c t ，w ed e s i g n e dt h el c dd i s p l a y i n gm o d u l ef o rag r o u n dp e n e t r a t i n g r a d a r a sa p a r to fa w h o l eg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rs y s t e m ，t h i sm o d u l ei sa b l et o s a m p l et h ea n a l o gs i g n a l sw h i c ha r es e n do u lf r o mt h ea n t e n n am o d u l e ，d i s p l a ) i n g p r o c e s s i n ga n ds t o r i n gt h e s ed a t u m t ob u i l dt h i sm o d u l e ，w eu s eae m b e d d e d s b c ( s i n g l eb o a r dc o m p u t e r ) p c m 5 8 2 2 ，w h i c hi sb a s e do nan e w , u n i q u eb u s p c 1 0 4d e s i g n e df o rt h ee m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o n , a n dap c 1 0 41 2 b i t sa dd a t a a c q u i s i t i o nc a r d o nt h i sp a p e r , f i r s t ，w eg i v et h em a i nf e a t u r e so ft h e s ed e v i c e s ，r l e x l w ei n t r o d u c et h et h e o r y , t h ep r o c e d u r ea n dt h em e t h o do fs a m p l i n gs i g n a l ss e n tf r o m t h ea n t e n n am o d u l eu s i n gt h i sp l a t f o r m t h e n ，w es p e c i f yh o wt op r o g r a mt od i s p l a 3 ， t h e s ed a t u m ，e s p e c i a l l yt h ep a r ta b o u tp i c t u r ez o o m i n g w h a tih a v e d o n ei nt h i ss u b j e c ti n c l u d e l ，c h o s et h ed e v i c e st ob u i l dt h i sm o d u l e 一 2 ，c o n n e c t i n gw i t ht h ea n t e n n am o d u l e ，s a m p l i n gt h ea n a l o gs i g n a l ss e n tf r o mt h e a n t e n n am o d u l e 。 3 s a m p l ed a t ar e a l l i m ed i s p l a y i n g 4 ，d a t ap i c t u r e l sz o o m i n gf u n c t i o n 5 s t o r i n ga n dr e a d i n gd a t u mo na h a r dd i s k 6s aa l g o r i t h mt r a n s p l a n t a t i o nt ot h ee m b e d d e ds b c p l a t f o n n ，p r e s e n t i n gs a p r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i n gf u n c t i o n 7 p r o g r a mt r a n s p l a n t a t i o nf r o map cp l a t f o r mt ot h ee m b e d d e ds b cp l a t f o n n k e yw o r d s ： g p r p c m 一5 8 2 2 d a t aa c q u i s i t i o n d a t as t o r i n g p c 1 0 4b u s p c m ，3 7 18 h p i e c e z o o m i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：。乏叁昭日期：。千年中月及 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 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后应遵守此规定) 签名：巷鸺新虢阎二笙 日期：丘年彩月乃e t 电子科技大学硕士论 1 1 探地雷达信号处理机概述 第一章引言 探地雷达( g r o u n d p e n e t r a t i n g 处d a r ，g p r ) 是近几十年茂展起柬的用丁对 地下目标进行勘探的一种有效方法它在城市建设、公路，铁路、机场、水翻、 矿山、隧道、考古等许多领域都有着非常广阔的应用前景目自口在尉内外已；j 。r i 到了越来越广泛的应用。 一个探地雷达系统从功能上讲可简单地分成两个部分：天线单元和信号处理 单元。信号处理单元负责完成对天线单元矮收的模拟回渡信号进行采样、茹化、 显示和处理。目衍大多数的商用g p r 系统部采用通用计算裉作为系统阳h ：；迥 理平台。随着通用c p u 运行速度越来越快，现在p c 机的运算速度已经能j 1 过 大部分g p r 系统对数据处理的要求。而这些g p r 系统的软件一般都是基于 w i n d o w s 或d o s 操作系统上开发的。虽然现在l i n u x 操作系统下的应用已经变 得越来越多，但是用电脑上进行绘图成像，w i n d o w s 操作系统能给出更好支钙， 更适合通用系统的开发。 目前绝大多数轻型g p r 系统都是采用笔记本电脑作为g p r 系统的信弓世耻 平台，但目前市面上还没有以笔记本电脑作为信号处理机的专用合成孔径成像的 g p r 系统。采用笔记本电脑作为g p r 系统的信号处理平台具有很多优点。作为 大批量生产的一种两品，相对定制系统而言，笔记本电脑蘑奄轻，结构紧凑价 格低，通用性好。但也正是因，笔记本宅脑是一种拯量生产商品，为满足遥耳f 化的要求，不太容易在上面实现一些特殊的要求。例如，笔记本电脑由于体积n 限制，在台式p c 机上已经得到广泛应用的i s a 和p c i 扩展卡不可能用于笔记木 电脑，使笔记本电脑功能扩充变得比较困难。 相对来说，相同配置的台式机的处理速度要高于笔记本，外设也i lj _ 以拔照奠 际要求配置，无论主机还是配件的价格穑对笔记本都要低。由于多年的发展台 式机的扩展卡无论是在接口还是在品种上都已经非常丰富了，这些使得利用荷品 化的功能模块进行快速产品开发变得容易。但台式机也有萁致命的弱点，台式机 的体积和功耗使得基于台式机开发的产品相对于笔记本而苫在运输、移动、工作 电子科技大学硕士论 空间、电源供给等方面都有非常明显的劣势。除了某些车载i 贡目，在移动要求较 高的环境中，更多的产品还是采用笔记本电脑作为数据处理的平台。 近年来基于嵌入式系统的应用逐渐增多。嵌入式系统一毂为定制系统，是专 门为完成某种特定的功能而设计的。嵌入式系统具有笔记车电脑的功耗低，移功 佳好的特点，同时叉具有可定制的特点用户可以根据自己的实际需要来渣甜磺 入式系统的功能模块。现在，商品化的、适合于嵌入式应用日j 中央处理芯片帕种 类越来越多，基于这些已经商品化的嵌入式中央处理芯片，很多商家推出了多种 的通用嵌入式主板以方便用户进行开发。同时，一些适用于嵌入式应用的接口总 线标准也得以制定，比如p c 1 0 4 和 c id 4 p l u s 总线，基于这些总线连接的备 十 功耗模块已经菲常成熬，橱对于全定秘系统丙言，通过标准穗 枣线，烈用逸臻 的功能模块来扩充嵌入式系统的功能具有花费低，扩充性好丌发快速等睹彰f j 【 点。 】z 本课题的目的 本课题利用嵌入式系统实现专用探地雷达的合成孔径成像信号处理样刺l 口：j 设计。按照设计要求，本机除了要完成探地信号的采集、显示和合成孔径处理外。 还要具有相当好的可移动性。 普通台式机无法满足移动性的要求而笔记本电脑在数坭采集方面也无法满 足系统要求。经过考虑，我萝7 利用两用嵌入式设备来组建漓是系绞要求的j 始： 地雷达合成孔径成像信号处理机的硬件平台。这儿采用了研华公司生产的嵌入武 s b c ( s i n g l eb o a r dc o m p u t e r s ) 板p c m 一5 8 2 2 ，通过p c 1 0 4 总线连接数据采集梗 块p c m 3 7 1 8 h 作为信号处理机的核心。采用n e c 的n l 6 4 4 8 a c 3 3 18t f t - l c d 液晶屏作为系统的显示设备。本文所有软件基于w i n d w a r 9 9 操作系统上丌发 实现了对天线枣元所接收的回波模拟信号妁量化、采集、显示、处理及数! f i ：似“ 本课题采用的设备具有很好的可扩充性能，以后根据系统要求自j 改变，可以很容 易地升级相应部分的硬件，来满足系统的要求。 2 电f 科技大学硕士论 第二章探地雷达的基本原理 本章主要讨论探地雷达的基本工作原理。并对探地雷达的佑j 模，州做j 。衙生 的分析。 2 1 探地雷达的工作原理 探地雷达的工作原理非常简单，其基本构成如图2 一l 所小。一般情况卜，人 线都是尽可能的贴近地表。一个g p r 发射电磁波进入土壤，土壤中任何i 【l 参数 ( 也就是介电常数，磁导率和导电率) 的不连续都会引起电磁波的后向散射，这 些电参数都是频率的函数。在实际中，基本上都是介电常数的不连续导致m 磁波 的反射，土壤基本上都是非磁化材料，所以其磁导率和自由空i 训的磁导率州等 ，= 生= 1 。导电率基本上影响媒质对雷达波能量的吸收。介电常数的变化剥媒 o 质的特征阻抗的变化影响最大，所以土壤中介电常数的变化会导致电磁波的反 射。后向散射的电磁波被接收天线接收，然后在接收机中进行采样处理。 幽2 1 探地雷达的基本框图 图2 2 是一个典型的g p r 接收回波，第一个也是最大的凹波是空e f j 她的 电子科技夫学硕一【：论 界面引起的，其他的回波，在时问上稍微靠后出现的回波是目标回波或浅地层的 杂波。通过在地面移动天线的位置，可以得n - 维或三维的图像。 图2 - 2g p r 接收的典型信弓 为了能够成功地进行探测，g p r 必须获得足够的信杂比( s c r ) ，足够的信 噪比( s n r ) ，足够的方位分辨率和深度分辨率。目前g p r 的数据记录一般都足 一维，二维或三维的效据集，而且采用声学术语称之为a 扫描，b 扫描和c 扫 描。 在一个给定的固定位置( 工，y i ) ，通过g p r 记录的一个单一的波形a ( x ，y f i ，) 就称之为a 扫描，如图2 - 3 。波形中唯一的变量是时间，并且通过媒质中的波迷 和深度有一定的关系， 天线 魁 罂 i空气一地皿 k 八。 v 、 7 图2 - 3 典犁的a 扫描 当g p r 的天线沿着一奄线x 轴移动对，会产生一系列的a 扫描，拗威个 二维的数据集a ( x ，t ) ，称之为b 扫描，如图2 - 4 所示。 在地下出现的点散射体，由于发射和接收天线的波束宽度的影响其反射在 b 扫描中呈现双曲线结构。利用在图2 - 5 ( a ) 中的几何关系，非常容易说明这一点。 假设均匀的媒质空间中波速为v ，发射天线和接收天线之问距离很小，因此j 以 电子科技大掌顼士论 欺天线 x 国2 4 多个a 船妊掏成i 个b 扫描 近似为一个天线( 单基的情况) 。坐标系统如图2 - 5 ( a ) 所示一个点散射体位于 ( o ，) ，通过天线探测，天线的坐标是( j ，o ) 、，天线和目标之问的距离是x 2 + 二：； 图2 - 5 ( b ) 是记录的数据a ( x ，t ) ，点散射体的反射出现在每一个a 扫描中的时间为 f ：当堕。此方程给出了一令双曲线的描述，其项点在叽2 南v ) 。_ 双曲线 的形状是与天线的配置( 单基，双基) 、目标的深度和媒质中的波速有关。 图2 - 5 ( a ) 位于( o ，知) 的点散射体( b ) 记录的数据、一( x ，f ) 2 4 探地雷达的信号模型 根据电磁波传播和反射理论，对于近距离的探地雷达，接受信号常常出四个 部分组成：天线串扰，地面反射，目标反射和白噪声。如图2 9 所示： 电子科技大学硕士论 图2 - 9 探地雷达信号模型 因此，接收信号可公式化为： w = 喀+ 6 + c + n【2 - 2 各分量的分析： c 是发射天线和接收天线之间的串扰信号。一般情况下当发射天线和接收 天线之间位置固定后，信号c 可咀认为是一个确定的信号。对于这个干扰信号可 以通过天线校正或者在发射天线和接收天线之间加屏蔽隔板进行消除。 b 信号是地面反射信号及地下各种杂质干扰带来的噪声信号。由于天线和地 面之间的阻抗不匹配，所以引起电磁波的多次反射。地面的第一次反剩信号最性， 以后逐渐衰减。对于探测浅地层的探地雷达来说，这种多次反射造成的影响是较 大的，地下各种杂质带来的干扰统称为背景噪声。都是在杂波抑制中要去除的信 号。 s 信号是目标反射的信号，也是真正需要的信号。这是个与目标体相关的 确定信号，由于与到达的时间和目标体的位置有关，因此它也是一个变化的信号。 ”是噪声项。它由测量噪声和模型嗓声组成，可以假定它是一个加性高斯白 啜声。 6 电子科技大学硕士论 第三章探地雷达信号处理单元系统构成及硬件实现 嵌入式系统一般是为实现某种特定用途而专门定制的种计算机系统a 邋过 功能高度整合的嵌入式芯片，可以满足系统对体积、功耗、移动性等有特殊要求 的场合的需要。本章对基于p c 1 0 4 总线的嵌入式信号处理单元的硬件构成做 个简要介绍。 3 ，1p c 1 0 4 总线介绍 现在应用最广的通用数据处理平台是w i n t e l 及其兼容平台，由于多年的发 展以及得到广泛的支持，使得现在利用w i n t e l 及其兼容平台进行开发变得，f _ 1 列 容易。但是在台式极中得到广泛应用豹标准p c 和p c a t 母板或扩展卡，d l 其 相对庞大的尺寸而限制了其在嵌入式微处理系统环境中的应用。为解决这一i a j 题，p c 1 0 4e m b e d d e dc o n s o r t i u m 制定了p c 1 0 4 标准。p c 1 0 4 是i s a ( p c 、 p c a t ) 总线的微缩版本( 另有一种p c 1 0 4 p l u s 对应p c i 总线) ，它制定了一种 外形尺寸更为紧凑的接口( 9 0 x 9 6 m m ) 形式，并可通过层叠( s t a c k t h r o u g h ) 方 式连接多个p c 1 6 4 模块。通过减少模块上的元器件数目和降低总线上信号驰动 电流的大小，p c 1 0 4 大大降低了整个系统的功耗，所有这些使得p c 1 0 4 总! k | | 常适合在嵌入式系统中使用。 p c 1 0 4 结构及特点 嵌入式应用中常常要用到一些特殊功能，为实现这些功能专门定制一套系统 既花费巨大又浪费时间，一个相对简单和便宜的解决方法就是采用外挂p c 1 0 4 模块。具有p c 1 0 4 总线的处理平台可以通过层叠( s t a e k t h r o u 曲) 方式联接多个 p c 1 0 4 模块，这样就能很方便的在某个具有p c 1 0 4 接口的嵌入式系统中加入这 些特殊的功能。 p c 1 0 4 因其接口共有1 0 4 个管脚而得名。它分为两个总线接头：p i 有6 4 个管脚，p 2 有4 0 个管脚。p c 1 0 4 模块有8 b i t 和1 6 b i t 两种类型。当8 b i t 和1 6 b i t 模块混叠时，1 6 b i t 的模块须置于8 b i t 模块之下。8 b i t 模块只需用到p l 接口，但 设计时也可加上p 2 接口，这样8 山i t 模块就可以放置在任何位置上。p c 1 0 4 外 7 电子科技大学硕士论 形尺寸如图3 1 所示。 图3 1p c 1 0 4 接口外形尺寸 图中上部为8 b i t s 接口的外形尺寸，下部为1 6 b i t s 接口的外形尺寸。 p c 1 0 4 模块接口上层为插座，底层为插针，它采用的层叠总线设计形式能 省去通用p c 上的固定架、支撑板等外围结构。通过p c 1 0 4 接口层叠多个p c 0 4 一模块的方法如图3 2 所示。图中最上层的是8 b i t s 的p c 1 0 4 模块。标注单位为英 寸( 括号中为毫米) 。 图3 ，2 多个p c 1 0 4 模块层叠示意图 8 龟子科技大学硕士论 3 2 信号处理单元系统构成 f 2 0 蹬。硬i 李一 恒p 一 图3 3 系统框图 探她雷达信号处理单元的系统框图如图3 ，3 所示( t j 框内部分) 3 ，2 1p c 1 0 4s b c 板p c m 5 8 2 2 g o b l 简介 探地雷达的信号处理单元采用了研华公司的p c m 一5 8 2 2 g o b l 作为中央处理 平台，p c m 一5 8 2 2 一g o b 是台湾研华公司为嵌入式应用设计的一种微型、高集成 的s b c 单板电脑，外型尺寸只有1 4 5 x 1 0 2 m m ，重量仅为02 2 k g ，单5 v 电源设 计，典型功耗7 5 w ( + 5 v 1 5 a ) 。具备以下主要功能特点： c p u ：采用了美国国家半导体公司生产的g x l 3 0 0 m h z 处理器。 b i o s ：a w a r d2 5 6 k bf l a s hm e m o r y 。 系统内存：有一个】4 4 针s o d m m 插槽，最大支持1 2 8 m bs d r a m 。 增强型i d e 接口：同时支持2 个e d e 设备。b i o s 自动检测，支持u l t r a d m a 3 3 模式。b i o s 缺省最大支持3 0 g 硬盘。 软盘接口：同时支持2 个软驱设备。 串口：一个串行r s ，2 3 2 端口；一个串行r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 端口。 并口：一个并口，支持s p 腿p p 屉c p 模式。 以太网接口：p c i l 0 1 0 0 m b p s 以太网，兼容i e e e8 0 2 3u 协议。 u s b 接口：2 个u s b 接口，支持u s b l 0 。 键盘鼠标接口：一个m i n i d i n 接1 3 ，支持标准p c a t 键盘和p s 2 鼠标。 9 电子科技大学硕士论 显示接口：l 4 m 共享显存。同时支持c r t 和t f tl c d 显示设备。可到 1 0 2 4 x 7 6 8 1 6b p p 分辨率。支持p a l 和n t s c 制式t v 输出显示。 g e o d eg x l 处理器内核是基于x 8 6 架构的，内部同时还集成了一些其它的功 能，如音频和图象处理，这样就可以大大域化主板的结构和尺寸，p c m ，5 8 2 2 只 要配上显示器，硬盘，内存和键盘鼠标就是一台标准的p c 兼容机。 p c m 5 8 2 2 没有内建存储器，必须外接s d r a m 才能工作。 探地雷达需要处理的数据量是很大的。以一个数据占用2 个字节，一个点采 1 0 2 4 个数据计算，如果每两个点之间的间距为1 c m ，则一平方米就要采集2 0 m b 的数据，这么大的数据量要求外接硬盘才能存储。p c m 一5 8 2 2 提供有一个电子盘 接口，但电子盘的存储容量太小。这儿采用了日立公司生产的2 5 寸2 0 g 硬蜘 通过接口转换，系统也可以使用3 5 寸硬盘。虽说3 5 寸硬盘在性能和价格要都 要比2 5 寸硬盘好，但3 5 寸硬盘在接口、功耗和可靠性上远不及2 5 寸硬盘， 不适合移动场合使用。 3 2 2t f tn l 6 4 4 8 a c 3 3 1 8 简介 n l 6 4 4 8 a c 3 3 1 8 是n e c 公司生产的t f tl c d 液晶屏。以下为它的一坠主 要特点： 可视对角线1 0 4 英寸( 2 6 c m ) 。 高亮，典型值为2 0 0c e m 2 。低反射。 6 4 0 x 4 8 0 象素分辨率。 1 8 b i t 彩色。 作为移动设备，显示单元只能采用l c d 液晶屏。笔记本电脑的液晶群m 丁 功耗的原因亮度一般在1 2 0 2 0 0 酬m2 ，本系统从功耗和实际使用环境折衷考 虑，选取的l c d 屏n l 6 4 4 8 a c 3 3 1 8 的亮度达到了笔记本电脑亮度的最大值，以 牺牲一定的待机时间来换取更好的显示效果。 3 2 3p c 1 0 4 数据采集模块p c m 3 7 1 8 h 简介 p c m - 3 7 1 8 h 是研华公司生产的p c 1 0 4 可编程增益1 2 位a d 数据采集模块， 采用单5 v 电源，典型功耗0 8 w 。p c m 3 7 1 8 h 的核心是研华公司自己研制的一 枚1 6 0 脚、0 1 i j m c m o s a s i c 芯片a d l 8 0 1 。 它的一些关键技术参数如下： 1 0 电子科技大学硕士论 模拟输入部分 1 6 路单端或8 路双端差分模拟输入，由主板跳线选择。输入范围可吐j 编程控 制，默认输入范围为1 0 v 。可以支持的所有格式如下： 双极性：】0 ，4 - 5 ，2 5 ，1 2 j ，0 6 2 5 v 单极性：0 1 0 ，0 - - 5 ，0 2 j ，0 1 2 5 v 1 2 比特a d 转换精度，最高1 0 0 k 的转换速率； 输入阻抗为1 g 欧姆。 转换精度视内部增益而定： 增益为1 时，转换精度0 0 1 o ff s f f 4 - ll s b ； 当增益为8 是，转换精度为o 0 4 o ff s r 4 - 1l s b 对每路模拟输入信号都可编程控制其输入增益； 双路8 - b i t 数字输入输出端口。t t l 电平： 灵活的触发模式：软件触发，内部可编程定时器触发，外部触发。 外部触发信号为t t l 电平。 数字输入，输出部分 双通道8 b i t 。 t t l 电平。 输入电压： 逻辑o ：最大0 ，8 v ； 逻辑1 ：最小2 0 v 。 输出电压： 逻辑0 ：在6 m a 吸电流情况下最大为0 ，3 3 v ； 逻辑1 ：在6 m a 输出电流情况下最小为3 8 4 v 。 电子科技大学硕士论 第四章探地雷达信号处理单元软件实现 对于信号处理单元，软件设计是其核心。根据设计要求，信号处理单元软件 应能完成以下功能： 与天线单元的连接，控制天线单元的模拟采样，并量化采集天线回波模拟信 号。 对采集的a 扫和b 扫的模拟回波信号数据的实时显示。 能调用合成孔径算法对数据进行后期处理显示。 对显示的b 扫数据能进行全局或局部的细节缩放显示。 完成对原始数据及采集参数的存储与读取。 4 1 软件开发平台的选取 p c m 5 8 2 2 采用的是美国国家半导体公司生产的与x 8 6 指令集兼容的c p t ) 芯片，从这点来说，在p c m 5 8 2 2 处理平台上进行程序设计与在通用p c 机 h 无二致，只是在一些局部细节上需要调整。 p c m 一5 8 2 2 随机提供了d o s ，w i n d o w s ，l i n u x 的驱动。本文除数据采集以 外，主要工作是完成采集数据的成像显示。l i n u x 主要面向服务器，以网络应用 为多，其图形设计的方便性不及w i n d o w s 系统。同样道理，单就采集速度而i ：- 1 ， 在d o s 环境下能取得更高的采集速度，但d o s 主要不是为图形应用丌发的，1 - 其上要实现数据的图形显示是比较困难的。作为图形化操作系统，w i n d o w s 操作 系统对图形绘制给出了很好支技，适合用于图像绘制编程。 为方便用户进行开发，研华公司随p c m 3 7 1 8 h 模块以动态连接库的方式提 供了丰富的设备驱动。p c m 3 7 1 8 h 是面向w i n d o w s ( 包含d o s ) 系统丌发的， 其库函数以、n d o w n t 9 5 9 8 2 0 0 0 的内核技术为基础。在随机的电子文档说明 中，研华公司给出了在v c ，v b ，d e l p h i ，b c + + 等常用w i n d o w s 开发环境下的 说明和例子以供用户参考。 综合考虑，信号处理单元采用w i n d o w s 9 8 操作系统，在m i c r o s o f t 公司的 v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境下进行程序设计。 1 2 电子科技大学硕士论 现在的软件集成开发环境确实极大的方便了程序员进行程序开发，但同时也 对开发系统运行的硬件平台的性能提出了较高的要求。p c m 一5 8 2 2 是为嵌入式应 一用而设计的，它的配置性能无法与现在流行的p c 机配置相提并论，直接在 f c m 5 8 2 2 上进行程序的编写和调试是非常不方便的。但程序运行的最后载体毕 竟不是一台通用p c 枫，有些功能最后必须要在p c m 一5 9 2 2 上来发计运行。 为解决这一问题，本文软件的主体设计是在一台通用p c 机上实现的，犟本 配置为p 3 1 1 3 g h z ，1 0 2 4 x 7 6 8 显示器，w i n d o w sx p 操作系统，利用v i s u a lc + 十 6 0 完成。在设计的程序正常编译通过，主要功能调试运行正常后，再将程宇移 植到p c m 5 8 2 2 上。最后在p c m 5 8 2 2 平台上完成所需的程序设计和调试，加数 据采集和程序的兼容往瓢试。 4 2w i n d o w s 程序设计的主要特点和界面设计 目前，v i s u a lc 是最受用户青睐的w i n d o w s 程序设计工具。w i n d o w s 中的 任何功能，郭可敬在 潞f h 卒实现。在藤v i s u a c 十+ 开发面向前豢应爿捋譬亭 时，主要使用了两种方法，一种是使用w i n d o w s 提供的w i n d o w sa p i 函数，岿 一种是直接使用m i c r o s o f t 提供的m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 类库。 在a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k 没出来之前，早期的w i n d o w s 开发是利用w i n d o w s a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 函数，向w i n d o w s 操作系统提出慕种 要求，例如配置内存、开后窗日、输出图形。所有这些都要依籁程序员彳f 输入 所有的代码。而这些w i n d o w s a p i 函数虽然有一定的群组关系，但却没有相迈或 组织化的函数名称，使得记忆和使用非常不便。有过w i n d o w s a p i 编程经验的人 一定都会对其烦琐复杂的程序代码印象深刻。 为了降低程序开发的难度。有一些公司推出了各自的a p p l i c a l i o n f r a m e w o r k 。m i c r o s o r 公司推出的m f c 就是其中的一种。m f c 利用面向对象的 原理，把这些a p l s 逻辑地组织起来，使得利用m f c 进行w i n d o w s 程序丌发的 难度大大降低。m f c 最大的贡献在于它完成了以下两件事： 更高级的结构支持。 封装组件 尤其在使用者界面上) 。 前者成就了d o c u m e a t v i e w 结构，后者成就了工具栏、状态栏、打印、预览等搬 受欢迎的u i 性质。 利用v c 的a p p w i z a r d ，m f c 给出了几种固定的程序架构，利用这些程序架 构，即使一个初学者也能通过几次简单的生成设定制作出个标准的w i n d o u - s 电子科技大学硕士论 界面风格的窗口。这样就使程序员能集中精力于特定的事件处理上。 w i n d o w s 程序的进行是依靠外部发生的事件来驱动的。换句话说，稃i f _ 、断 等待任何可能的输入，然后做判断，然后再做适当的处理。上述的“输入”是由 操作系统捕捉到之后，以消息( 一种数据结构，w i n d o w s 消息是在w i n d o w s 各 种对象之间进行通信的特殊代码以及少量数据。) 形式进入程序之中。w i n d o w s 程序设计就是围绕着事件或消息的产生，驱动运行相应的消息处理函数。 对于w i n d o w s 程序而言，独特的界面是一个w i n d o w s 程序的重要组成部分。 程序的所有功能都是通过界面提供给用户的。一个用户友好的界面让用户在使用 时觉得非常方便，同时也能激起使用者的兴趣。相对来说，本文采用的6 4 0 x 4 8 0 分辨率的l c d 液晶屏尺寸偏小，不适合复杂界面的显示。在能提供全部功能的 前提下，本文在界面设计上只能尽量简洁。除了常见的w i n d o w s 界面，如菜单， 工具栏，状态栏等，本文采用了一种非常少见的动态层叠对话框栏的界面形式以 减少界面的显示空间。程序界面如图4 1 所示。该图显示了一个a 扫的数据波形。 图4 】显示a 扫的界面示意墨 对话框栏是工具栏和对话框的综合体。普通工具栏能停靠( d o c k i n g ) 在程 序窗口的任何一条边上，但不具有参数输入或显示等功能；而对话框虽然能响应 输入消息，但它不能停靠。采用对话框栏能满足上面所有的要求。 电子科技大学硕士论 对话框栏也有自己的缺点。普通工具栏和对话框中的消息传递是由m f c 封 装好了的。在m f c 提供的架构内，一个事件输入( 比如工具栏上的某一个按避 或是对话框上的某个文本窗口) ，m f c 会自动把这食事件与某一个消息相联 系，并将该消息送至注册的处理函数进行处理。而对话框栏并不具有这个特点。 对话框栏上的任何按键或文本框的处理鄱要求程序员手工添加上还关联。这静丧 联注册通常要分二步，首先要在m a i r t f r m h 头文件中注册一个处理该消息的雨 数，比如 a f x _ m s g v o i d o n r d w a v e 0 ； a 仅m s g 表示要注册一个消息，o n r d w a v e o 是要注册的函数名。 然后还要在m a i n f r mc p p 中注册该消息，将这个消息与某个事件相联系。比如 b e g i n _ m e s s a g e _ m a p ( c m a i n f r a m e ，c f r a m e w n d ) o n c o m m a n d ( i d c _ r d w a v e ，o n r d w a v e ) e n d _ m e s s a g e m a p 0 其中第一行和第三行指示中闻部分为消息列表。中阎第二行名是消息注理，水分。 o nc o m m a n d 表示是一个命令消息，i d cr d w a v e 是控件的l d 让i 别 0 n r d w a v e 就是在头文件中注册的函数：它表示当i d cr d w a v e 这个控什的j h 件发生时，发送消息，并将该消息交给o r t r d w a v e 处理。 当对话框栏很复杂的时候，事件、消息和函数的注册是很烦琐的。这也是为 什么对话框栏虽然有很强的功能，但一般请况下并不使用它的原因。 对于信号采集处理过程中所要用到的所有控件如果在个对话框栏中。爻现， 那么这样的一个对话框栏尺寸会超出显示屏的边界( 如果把对话框栏横向j 1 - j 廷， 但那就会挤占数据图像的显示空间，同样不可行) 。本文采用的解决办法就是动 态层叠对话框栏，先建立几个对话框栏，然后根据需要，给用户动态显示i i 二舀 1 尘 用的几个对话框栏。 1 5 电子科技大学硕士论 如图4 2 所示。通过点选右上角显示方式对话框栏中相应的显示方式，可以 在波形显示控制对话框栏和图像显示控制对话框中切换。这样做可以大大节省显 示空间，给左边的数据显示窗口最大的显示空间。对比图4l 可见，我们通过这 种方式，就可以在- - y 0 对话框的空间内列出所有功能控件。 圈4 , 2 对话框栏的动态切换及b 扫显示示意幽 4 3 天线模拟回波信号数据采集 信号处理单元豹一个重要任务就是实现与天线单元静连接。这包括两个方 面；一方面要控制天线单元的电磁回皱的采样时序：另一方面把天线单元发送 的模拟回波信号量化采集后，将数据显示、保存。 a , 3 1 天线模拟回波信号数据采集的原理和方法 在设计程序控制p c m - 3 7 1 8 h 进行数据采集前，先简要说明一下探地雷达数 据采集的过程。天线向地表下发射一个电磁脉冲后，其一定时问范围内的回波信 号携带了一定深度的地底状况信息。其时间间隔与深度的对应关系近似为 电子科技大学硕士论 厅= 三；。其中h 为距地表的深度；c 为真空中的光速；t 为从天线发射后到丌始 2 + s 采样时的时间间隔：e 为传播媒质的介电常数。本公式假设传播媒质为均一媒 质。我船只要对天线发射后的某一段对闻闻媾内的模拟屡波信号进行采样分析， 就可以得到地表下某一深度内的地质状况信息。由于电磁波传播的速度极快一 般情况下为达到某探测深度所需的时间间隔非常短，这样，通过对一个脉冲的 回波信号进行采样是无法取得足够的采样数据的，所以实际应用中一般采用“序 贯采样”的方法来合成菜点的地下回波信号。 为采集某点地表下的时间间隔t 内的电磁回波情况，天线单元向地表下发射 一串脉冲。如果脉冲串的重复周期远大于t ，那么我们可以近似认为每一个脉冲 的回波信号是相同的。我们可以在第一个发射脉冲后t 时刻采样第一次，第二 个发射脉冲后2 t 时刻采样第二次，以此类推。这样通过对n 个脉冲的回波采 榉就能合成某点萃个脉冲在游厶= ? 对阁阁鞴内的整个圆波情况， 从上我们可以看出，为了实现对回波信号的采集和分析，探地雷达系统在对 一个脉冲的回波采样中要采样两次。天线单元首先要在天线发射后n $ t ( 0 n n ) 时对地表下的回波信号进行第一次采样保持，然后信号处理单元再 将这个模拟信号进行量化保存。 依据探地雷达设计分辨率的不同，t 可以在很大一个范围内变化，在浅地 表应用中，t 只有百分之几纳秒的量级。这么短的时间问隔，普通的时序延迟 控制电路是无法胜任的，因而信号处理单元不能直接控制天线单元进行数据采 样，在天线单元内部有专用的采样延时控制器，延迟时间由个延迟计数器决定。 其一位延迟的对河就是探她雷达所能达到的最小分辨率。信号处理革元通过 控制延迟计数器的值就能间接得到所需的延迟时间，如果延迟计数器的值为n ， 则实际延迟时间为n t 。 天线单元对地下回波信号的采样有两种方法。一种是每一个发射脉抖l 后，延 迟计数器自动加】，此时天线单元的模拟信号输出端输出的是模拟回波信号展竞 n t 1 厂r 倍后的采样包络，t 1 为发射脉冲的重复周期。然后再对此回波包络信号 进行采样。这种采集方法要求延迟控制器中有硬件电路支持自动步进加1 的功 能，同时在采样过程中不能有中断，否则信号处理单元采集到的数据时序h 会不 正确。 1 7 电子科技大学硕士论 另一种方法是信号处理单元每采样完一次后，发送指令，控制延迟计数器加 1 。这样即使信号处理单元采样过程中有中断，但由于延迟计数器没有接到指令， 所以其下一个脉冲的采样延迟不变，天线单元采样的信号也不会变( 理想状态下， 没有随机噪声的影响) ，所以信号处理单元在任何时候采样的天线单元输出的模 叛回波信号都是樱目的。这种方法在蹿穿上能实现较好控制；这也是本文采明的 方法，缺点是需要多一根步进控制线。 天线单元输出的模拟回波信号有两种采集的方式法：一种是通过u s b 接口 与天线单元内自带的数据采集卡连接，另一种是通过p c m 一3 7 1 8 h 。 利用u s b 接口的优点是：u s b 是种通用接口，这样，任何具有u s b 端1 2 1 的 通用p c 机都可作为信号处理单元完成数据的采集。在市场上也很容易技到i j 埔 于双机连接的u s b 信号线，而不用专门制作。利用u s b 接口和利用p c m 3 7 1 8 h 的数据采集流程是基本一致的。本文两种方法都可实现。在实际采集数据过程中， 因为天线单元自带的数据采集卡自身的原因，在利用数据采集卡采样时，每一次 定要连续采样3 2 次，由于在采样过程中无法控制步进计数器，所以这3 2 次采 样都是采样同一深度点的信息，这样缀极大的降低了采样速度。利用u s b 吱溯 时，在任一点完成一个a 扫的采集需要8 秒的时间，达不到实际使用的要求。 p c m 3 7 1 8 h 标称转换速率与天线单元内的数据采集卡的转换速率大体相当。但 由于使用时没有上面提到的那些限制，其采集速度能满足实际需要。所以本文主 要讲述利用p c m 一3 7 】8 h 进行数据采集的方法和步骤。 4 3 2p c m - 3 7 1 8 h 数据采集卡的设置和驱动安装 4 3 2 1p c m 3 7 1 8 h 的跳线和开关设置 总体来说。p c m 一3 7 18 h 数据采集卡的使用还是非常方便的。p c m 3 7 1 & h 其 有多种数据采集和传送方式，为了正确使用这些功能，需要设置相应的跳线。图 4 - 3 为p c m 一3 7 1 8 h 数据采集卡上的接口，跳线和a d 校准电位器的位置示意图。 儿为p c 1 0 4 总线接口 j p l 为d m a 方式( d m a l 或d m a 3 ) 和时钟基准( 1 m h r 或1 0 m h z ) 跳线 设置 j p 2 为差分方式单端方式模拟输入跳线设置 j p 3 为d 1 0 0 9 部触发端跳线设置 p 1 为模拟输入端 电子科技大学硕士论 p 2 为数字信号输入输出端 s w i 为地址拨码开关没置 v r i v r 3 分别为a d 满度调整，差分偏置和单极性偏置渊整电位器。川j a d 舶校准。 图4 ，3p c m 一3 7 1 8 h 跳线开关位置示意型 我们控制p c m 3 7 1 8 t l 的过程就是通过p c 的i o 端口地址进行数捌的【妒； 的过程。p c m 一3 7 1 8 h 数据采集卡要求1 6 个相连的i o 地址。我们通过拨码r 关 s w l 来设定该模块的基地址( 起始地址) 。有效的地址范围是从h e x0 0 0 到h e x 3 f 0 。山于系统中的其它设备也可以占用这些地址，所以当地址冲突的时候我 们可以通过s