基于单片机的微波辐射计数控单元设计与实现

1、    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

2、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。11 数控单元硬件结构系统由单片机、高速AD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

3、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11059 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AD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-

4、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。12 硬件设计与实现121 数据采集单片机初始化完毕后，通过片选信号选中AD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 RC信号的下降沿控制，信号脉冲宽度至少为50 ns。当RC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A0A14，则使用A15与RD

5、，WR共同作为控制线，使AD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RC下降沿，这样可以通过软件延时精确控制采样率。122 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AD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

6、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。123 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P10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，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。124 串口通信电路串

7、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(2SMOD32)·(fOSC12)·1(28- TH1)，则通过计算可得T1装载值为0xFA，波特率为9 600 bs。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

8、个系统已经使用Medwin 3O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0100H01C8H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18°且采用

9、32细分，则每转一圈步数为：360°(18°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