摘  要： 重點設計并實現(xiàn)了863項目“南海深水區(qū)動力環(huán)境立體檢測技術研發(fā)”中5頻段微波輻射計的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，以Xilinx公司Virtex-4系列FPGA為核心，包括數(shù)據(jù)采集、AGC自動增益控制、系統(tǒng)開關控制、數(shù)據(jù)通信等模塊，精確滿足了系統(tǒng)要求，同時給出了系統(tǒng)電路設計、關鍵模塊邏輯圖及軟件流程圖。
關鍵詞： 微波輻射計；FPGA；數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通信

    微波輻射計是一種被動式的微波遙感器，用于全天時、全天候地觀測全球大氣溫度和濕度、降雨量等空間氣象資料，在全球性水文循環(huán)探測、地質(zhì)與資源調(diào)查、海洋環(huán)境與海況檢測、災害性天氣預報與檢測等研究中發(fā)揮了重要作用。由于微波輻射計是一種被動式的遙感器，其靈敏度要求很高，同時，由于當今遙感儀器的設計越來越趨于高功能密度及小型化，因此，要求多通道微波輻射計的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)具有高可靠性、高分辨率、實時性好、體積小、重量輕、功耗低以及可移植性強等特點。以往多數(shù)微波輻射計數(shù)控系統(tǒng)中采用的以80C31為核心的設計，由于受微處理器芯片和外圍電路的限制，擴展性差，所占體積較大，且需要多塊電路板協(xié)調(diào)工作，功耗較大。鑒于FPGA功能強大、邏輯速度快、功耗低及可移植性強等優(yōu)點，本文采用FPGA為核心進行微波輻射計數(shù)控系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了設備的低功耗和輕小型化。
1 系統(tǒng)結構
    5頻段雙極化微波輻射計共10個通道，其中每個頻段結構框圖如圖1所示，由天線單元、接收機單元、定標單元、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、測溫電路等功能模塊組成。接收機單元包括內(nèi)檢波、低頻放大、積分等部分[1]。接收機的輸入端通過電子開關周期地在天線單元和定標單元之間切換，同時噪聲源在加電和不加電兩種狀態(tài)下與匹配負載耦合，從而使定標源產(chǎn)生高、低不同的亮溫，5個頻段共用一套數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)。

    數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)接收遠程計算機注入指令包，控制系統(tǒng)開關機和噪聲源上下電，系統(tǒng)上電后，由接收機單元接收的模擬信號送入數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與存儲，AGC自動增益控制、工作狀態(tài)控制以及與遠程計算機的數(shù)據(jù)通信。可見，數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)在微波輻射計各模塊中處于至關重要的位置。
1.1 數(shù)控系統(tǒng)總體結構
    數(shù)控系統(tǒng)由FPGA及外圍電路、數(shù)據(jù)采集電路、AGC自動增益控制電路、系統(tǒng)開關控制電路、電平轉換電路、總線接口電路等部分組成，如圖2所示。

    FPGA根據(jù)系統(tǒng)既定的時序或遠程計算機注入的控制指令，通過電平轉換電路進行轉換后，控制數(shù)據(jù)采集電路完成科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集，并控制AGC自動增益控制電路為多通道微波輻射計冷源和熱源的定標提供AGC調(diào)整值[2]。同時，F(xiàn)PGA通過控制電平控制系統(tǒng)開關，由控制電路完成整個系統(tǒng)、接收機和噪聲源的開關機功能，并完成科學數(shù)據(jù)包到遠程計算機的回傳。
    數(shù)控系統(tǒng)以Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA為核心進行設計，其配置PROM采用XCF32P，32 M存儲容量。
    數(shù)據(jù)采集電路采用AD公司的16位并行模數(shù)轉換器AD976A，芯片轉換速率為200 KS/s，此高速A/D轉換器采用電荷重分布技術進行逐次逼近型模數(shù)轉換，因而不必外加采樣保持器。電壓輸入范圍為-10 V～+10 V，分辨率高，可做到16位不失碼。
    AGC自動增益控制電路采用AD公司的12位并行數(shù)模轉換器AD7247，電壓輸出范圍選擇0 V~5 V，滿足微波輻射計數(shù)控系統(tǒng)精度要求。
1.2 硬件設計與實現(xiàn)
1.2.1 數(shù)據(jù)采集電路
      數(shù)據(jù)采集電路由隔離驅(qū)動電路、多個多路選擇器以及一個A/D轉換器組成。其中，隔離驅(qū)動電路采用JFET輸入的運算放大器進行隔離和驅(qū)動；多路選擇器對10路遙感信號和25路溫度數(shù)據(jù)進行選擇，其地址信號由FPGA的I/O接口提供，經(jīng)電平轉換后送入多路選擇器；A/D芯片轉換速率為200 KS/s，16 bit雙極性輸出，最高位表示符號位，硬件電路如圖3所示。采集到的數(shù)據(jù)存入FPGA的SRAM中，工作周期為60 s，一個工作周期結束后，將科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)下傳到遠程計算機。

      AD976A進行數(shù)據(jù)采集時，置CS引腳固定為低電平，則轉換時序由R/C信號的下降沿控制，信號脈沖寬度至少為50 ns。當R/C變?yōu)榈碗娖綍r，BUSY信號也變?yōu)榈碗娖剑瑯酥巨D換結束，則移位寄存器中的數(shù)據(jù)被更新的二進制補碼替代，其中，R/C控制端由FPGA的I/O端口進行控制。
1.2.2 AGC自動增益控制電路
    AGC自動增益控制電路由5個兩通道D/A轉換器AD7247和隔離驅(qū)動電路組成，硬件電路如圖4所示。由FPGA對數(shù)據(jù)采集電路采集的微波輻射計冷源和熱源定標值進行判斷，為AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調(diào)整值，通過D/A轉換器及隔離驅(qū)動電路后提供給微波輻射計的接收機單元。其中，5個D/A轉換器并聯(lián)為微波輻射計10個通道提供AGC調(diào)整值，片選信號和轉換信號由FPGA的I/O端口進行控制。

1.2.3 系統(tǒng)開關控制電路
    系統(tǒng)開關控制電路包括系統(tǒng)上下電和噪聲源開關控制電路兩部分。其中，系統(tǒng)上下電通過四觸點磁保持繼電器及ULN2003A構成的驅(qū)動電路控制，該磁保持繼電器有2個線圈：1個置位線圈Set和1個復位線圈Reset，均通過脈沖觸發(fā)。當繼電器Set端出現(xiàn)上升沿時，繼電器吸合，系統(tǒng)上電；當繼電器Reset端出現(xiàn)上升沿時，繼電器斷開，系統(tǒng)下電。由于繼電器在切換瞬間電流較大，因此需要外加驅(qū)動電路，由ULN2003A構成[3]。此種繼電器具有保持功能，一旦置位或復位，即使線圈斷電，繼電器仍保持原狀態(tài)，從而降低了功耗。
1.2.4 電平轉換電路
      由于FPGA設計采用的是LVTTL電平，而數(shù)據(jù)采集電路及AGC自動增益控制電路采用的是5VCMOS電平，LVTTL的高低電平為：
        

可見，LVTTL信號與CMOS信號不可直接互聯(lián)，因此設計選用TI公司的SN74ALVC164245芯片(具有三態(tài)輸出的16 bit 3.3 V到5 V電平轉換收發(fā)器)實現(xiàn)LVTTL與CMOS電平的互聯(lián)。
1.2.5 總線接口電路
      總線接口電路通過串行通信接口實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與遠程計算機的數(shù)據(jù)通信，由MAX232完成TTL電平到EIA的電平轉換，硬件電路如圖5所示。

2 數(shù)控系統(tǒng)FPGA軟件設計
      FPGA軟件部分包括總線控制模塊、天線驅(qū)動接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、AGC模塊和系統(tǒng)開關控制模塊5部分，使用同一時鐘進行同步處理，控制其他電路共同完成微波輻射計的冷熱源定標、數(shù)據(jù)采集和工作狀態(tài)控制等功能。FPGA軟件信息流程圖如圖6所示。

    其中，總線控制模塊包括初始化配置模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和中斷處理模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊負責與遠程計算機傳輸科學數(shù)據(jù)包，包括定標數(shù)據(jù)、科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)；中斷處理模塊負責傳輸工程遙測包的數(shù)據(jù)注入和內(nèi)部指令注入，分別存入相應的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并設置相應的標志位，控制微波輻射計各部分運行狀態(tài)。
    天線驅(qū)動模塊負責執(zhí)行總線控制模塊傳輸?shù)母鞣N天線控制指令，同時讀取天線狀態(tài)字和天線角編碼，并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待下傳。
    數(shù)據(jù)采集模塊為多路選擇器提供地址信號，并為A/D轉換器提供片選信號，控制數(shù)據(jù)采集電路工作，同時依次采集科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，并在一個周期后打包下傳。
    AGC模塊依據(jù)數(shù)據(jù)采集電路采集的熱源和冷源的定標數(shù)據(jù)，按照AGC調(diào)節(jié)標準調(diào)整AGC值，使冷源輸出下限為3.3 V，熱源輸出上限為4 V。AGC調(diào)整方式為步進式調(diào)整，調(diào)整步長為5 mV，系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)后，將調(diào)整后的AGC值與科學數(shù)據(jù)包共同打包下傳。
    系統(tǒng)上電后進行初始化，為防止系統(tǒng)上電時復位不充分，系統(tǒng)上電后進行3 s的延時，然后進行系統(tǒng)初始化，順序依次為內(nèi)存、外存、I/O端口[4]。程序中使用的以及需要預設初值的所有變量都要進行初始化，不使用的內(nèi)存地址同時初始化為00H。
    初始化后按照天線對定標區(qū)和目標觀測區(qū)的掃描時序進行觀測。每個觀測周期的觀測順序為：熱源定標→冷源定標→目標觀測→熱源定標。同時通過執(zhí)行內(nèi)部注入指令對系統(tǒng)工作狀態(tài)加以控制，F(xiàn)PGA工作流程如圖7所示。

3 數(shù)控系統(tǒng)仿真與調(diào)試
    本文選用Mentor公司的Modelsim HDL仿真軟件和Xilinx公司的Chipscope FPGA片上邏輯分析儀對系統(tǒng)軟件和硬件進行了實際仿真，通過Xilinx ISE開發(fā)環(huán)境中生成的測試激勵文件Testbench，可以無縫連接Modelsim仿真工具，測試結果滿足系統(tǒng)要求。
    圖8為Modelsim仿真的冷源定標和AGC值存儲部分波形圖。

    Modelsim仿真有2種激勵輸入方式，一種是傳統(tǒng)的波形輸入，另一種是通過編寫代碼，對輸入產(chǎn)生預定的激勵，這種方式能夠產(chǎn)生更為復雜的激勵，提供更高的功能覆蓋率，并且可移植性更好，驗證速度更快[5]。
    本文設計了一個對整個FPGA模塊進行測試的Testbench，模仿了A/D芯片采集的數(shù)據(jù)，可以驗證定標過程中生成AGC調(diào)整值的準確性和存儲器讀寫科學數(shù)據(jù)和定標數(shù)據(jù)的準確性。冷源定標過程中，程序首先為多路選擇器提供地址信號addrch和addrte，依次對接收機10個通道進行數(shù)據(jù)采集。當冷源輸出adout小于3.3 V，轉換為步長即2A7E時， 程序?qū)⒅鸩綔p小AGC調(diào)整值，并通過D/A片選信號csa和csb送入D/A轉換器，直到冷源輸出高于2A7E時，將冷源定標輸出和AGC調(diào)整值存入RAM中。結果表明，F(xiàn)PGA各模塊工作正常，符合設計要求。
    本文結合微波輻射計工程實現(xiàn)的要求，討論了微波輻射計的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)的原理，并采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)了該數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計和FPGA模塊設計，進行了部分模塊的功能仿真和時序仿真，通過了系統(tǒng)調(diào)試仿真驗證，達到了設備小型化的設計目的；同時，采用FPGA進行設計，提高了程序的可移植性，并通過了可靠性和穩(wěn)定性的分析設計，從而能夠有效保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。
參考文獻
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