摘? 要: 介紹一種可用于微波輻射" title="微波輻射">微波輻射散射計的嵌入式數據采集" title="數據采集">數據采集、處理和控制系統。首先闡述了微波輻射散射計的工作原理及對數據采集、處理和控制電路的要求;然后著重介紹了該系統的硬件設計;最后對輻射散射計數據處理" title="數據處理">數據處理進行了分析,并給出了在CCS環境下可以運行的幾個關鍵的C語言程序。
關鍵詞: 嵌入式系統" title="嵌入式系統">嵌入式系統? DSP? CPU? 輻射計? 散射計
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微波遙感有全天候、全天時、能穿透植被、土壤等特性, 它可以獲得可見光、紅外遙感所無法獲得的信息。對物體輻射散射特性的研究是微波遙感的重要內容和手段, 用輻射計可以測量物體亮度溫度,用散射計可以測量物體的散射系數。因同一被測目標的散射和輻射特性具有很強的互補性,將輻射計和散射計組合起來能對同時獲取的散射信息和輻射信息進行互補融合研究,以更好地獲取物體的特性。
微波輻射散射計需要實時采集目標信號和參考信號,對采集的信號進行實時處理。使用通用的微處理器一般很難完成實時處理任務。通常的辦法是將采集的數據送入PC機進行處理,這樣整個系統的體積較大。而微波輻射散射計需要長期工作在現場甚至野外,體積的大小和系統的便攜性比較重要。當前嵌入式系統已經廣泛地應用到各類電子設備,如移動設備、掌上PDA、數字電視等。嵌入式系統是以嵌入式處理器為核心,存儲器和I/O等設備而構成的系統。它區別于PC機系統。將嵌入式設計方法應用于微波輻射散射計將會大大減小系統的體積,提高其便攜性和可靠性。
1 輻射散射計的工作原理
圖1是微波輻射散射計的原理框圖。本輻射散射計采用雙參考溫度輻射計和噪聲散射計組合而成。輻射計分時接收目標輻射信號和兩參考溫度信號;散射計接收目標散射信號和內部校正信號。系統處于輻射計工作方式時,將固態噪聲源、功放、隔離器、發射天線關閉;DICKE開關分時切換接收天線的信號和雙參考負載;接收極化開關使接收的V、H極化信號分時送入DICKE開關;負載開關切換高低溫參考負載;DICKE開關的輸出信號與本振信號混頻后經中放、檢波和低放后送入A/D采樣。系統處于散射計工作方式時,固態噪聲源產生的噪聲經功放和隔離器后,再經過發射校正開關送入發射極化開關,通過極化分離器送入發射天線發射。散射計的接收部分利用輻射計的接收通道,不同的是負載開關固定地接收低參考溫度負載,而發射校正開關使固態噪聲源分時地送入發射機和定向耦合器,定向耦合器將固態噪聲源信號耦合送入低溫參考負載,供實時校正。系統處于輻射散射計的組合模式時,可以按分時的方式分別進行VV、HH、VH、HV散射測量和V、H的輻射測量,根據測量值來分析被測目標。
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本系統需控制發射極化開關、接收極化開關、發射校正開關、DICKE開關和負載開關,系統還需具有測溫、控溫和控制步進電機等功能。在系統中要完成的數據采集有系統的高低參考溫度和混頻檢波的輸出信號。由于系統的數據處理比較復雜,僅用微處理器很難在數據采集的同時,完成實時的數據處理。為此一般采用將數據送入PC機進行處理。
微處理器與PC機間的通信采用RS232。下面提出一種以DSP+單片機為核心的輻射散射計嵌入式數據采集、處理和控制的方案。
2 輻射散射計的嵌入式數據采集、處理和控制系統
根據上述輻射散射計的工作原理和對數據采集、處理及控制電路的分析,可以知道整個嵌入式系統需要一組控制信號來控制各路開關、電機和溫度。系統需要采集目標的輻射、散射信號和高低參考負載溫度信號。采集獲得的數據需進行實時可靠的處理,并顯示出相應的處理結果。設計輻射散射計的嵌入式數據采集、處理和控制系統,可以采用以DSP+單片機為核心的主從式嵌入系統實現。在系統中DSP主要完成數據處理和一些按鍵、顯示工作;單片機完成各組控制信號的輸出和數據的采集,同時負責整個系統的工作方式。這種主從式系統有利于充分發揮DSP和單片機自身優勢。
2.1 系統的工作原理
整個嵌入式系統如圖2。DSP和PIC16F874單片機采用HPI-8主從接口進行通信。程序存儲器AT29LV1024存儲DSP程序,數據存儲器CY7C1021VC33存儲單片機采集的原始數據和DSP處理后、處理過程中的數據。液晶采用LCD模塊EDM12864B,它能顯示4×8個16×16點陣的漢字。按鍵采用兩個鎖存器,通過定時掃描來判斷有無按鍵按下。PIC16F874具有片內A/D采樣電路,可以將輻射信號、散射信號、高低參考溫度、環境溫度、機箱溫度轉換為數字信號。
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2.2 系統的硬件設計
圖3是DSP的存儲器擴展及按鍵、顯示電路。用/PS控制程序存儲器FLASH的
,用R/W控制FLASH的
,FLASH的
連接到地。采用/DS控制SRAM的
,用R/
控制SRAM的
,SRAM的
、
和BLE連接到地。按鍵和液晶均采用
控制。鎖存器U1(74HC573)采用/IS和A12選通,當/IS和A12都為0時,U1選通。這樣U1的地址可設為0EFFFH,DSP對U1采用定時掃描,依次輸出高電平" title="高電平">高電平。鎖存器U2(74HC573)采用IOSTRB和A13控制。當
和A13都為0時,U2選通。這樣U2的地址可設為0DFFFH,DSP對U2采用定時讀入,根據讀入值和輸出值判斷有無按鍵按下和哪個按下。液晶模塊采用
和A14控制,當
和A14都為0時，液晶選通。
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圖4是DSP與單片機的通信及數據采集、控制電路,5402(從處理器)和PIC16F874(主處理器)通過HPI-8進行通信。HPI-8是一種速度快、硬件接口簡單的并行通信方式,對于大數據通信,其效率更高。5402的HD0～7是8位數據總線,數據、地址和控制字都通過它來讀寫,控制線HCNTL0、HCNTL1指示主處理器通過HD0～7讀寫的數據類型。因5402的數據、地址和控制字都是16位數據,主處理器需要分兩次傳送數據。控制線HBIL指示主機傳送的是第一字節還是第二字節。在圖4中通過將HCS接地、HDS2接高電平、HDS1通過程序置0使HPI-8內部選通。HPIENA是HPI使能端。DSP上電復位時,檢測HPIENA引腳的電平,如果為高,則使能HPI，故將HPIENA接高電平。引腳HR/W控制讀寫,高電平表示主機要讀HPI-8，低電平表示主機要寫HPI-8。將引腳HAS接高電平。
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PIC16F874具有五路12位的A/D采樣電路,可以將高低參考溫度信號、混頻檢波信號進行內部采樣。PIC16F874將采集的數據通過HPI-8送入5402進行處理,同時根據輻射散射計工作模式給出相應的各組控制開關信號和電機驅動信號。
2.3 嵌入式操作系統的設計
嵌入式系統僅有硬件是不夠的,必須配備相應的操作系統。早期的嵌入式系統采用前后臺系統,這種前后臺系統的穩定性和實時性很差;而實時嵌入式操作系統以其高可靠性、高開發效率和多任務特性得到越來越廣泛的應用。本系統軟件包括DSP通信軟件、鍵盤的I/O驅動程序、液晶的驅動程序、任務調度處理程序和單片機的軟件等。在編寫DSP軟件時一般采用C語言和匯編語言混合編程。而驅動程序與硬件直接打交道,用C語言不便控制,一般采用匯編語言來處理。
在實時操作系統設計中要善于采用DSP/BIOS。 DSP/BIOS是一個實時底層軟件，它能提供基于優先級的任務調度、中斷處理、I/O服務等。同時DSP/BIOS能實時獲取目標機的信息,在軟件調試階段能對應用程序進行實時調查(probe)、跟蹤(trace)和監控(monitor)。這樣在系統的軟件開發階段可以簡化系統的軟件設計,節約開發時間。DSP/BIOS以API調用的形式被C語言和匯編語言調用,在編譯時DSP/BIOS庫與應用程序連接,并映射到目標系統的程序中。
3 嵌入式輻射散射計的數據處理及實現
在輻射散射計中有兩個核心的數據處理,一個是輻射計亮度溫度,另一個是散射計的散射系數。
3.1 雙參考溫度輻射計測量亮度溫度
雙參考溫度輻射計分別測量天線亮溫TA、低參考負載溫度TL和高參考負載溫度TH的輻射信號。這些信號經平方律檢波后,輸出電壓分別為V1、V2、V3,由此可得天線的溫度TA(K)為:
當單片機采集到這些數據后將其送入DSP,DSP需要根據V1、V2、V3、TH、TL求取TA。在DSP進行這種數值運算時,采用C語言非常方便。
以下是用求解TA的C程序：
double get_Ta(V1，V2，V3，Th，Tl)
double V1，V2，V3，Th，Tl；
{???? double Ta；
Ta=(V1-V3)×(Th-Tl)/(V2-V3)-Tl；
return(Ta)； }
3.2 散射計的散射系數
根據雷達方程可以推出后向散射系數σpq：
????
其中θi為入射角,H為天線架設的高度,I(θi,H)? 為照射積分,它是入射角和天線高度的函數,Pr為天線接收功率,Pt為天線的發射功率,Kdb為常數。散射計測出Pr和Pt后,Kdb和I(θi,H)已知，故可以求出后向散射系數σpq。
其C語言程序為：
# define K?5.1
double??get_scatter(int Pr，int Pt，int Qi，int H)
{???extern double get_I()；
double scatter，i；
i=get_I(Qi，H)；
scatter=Pr/Pt-K-i；
return(scatter)； }
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參考文獻
1 LI Yi， FANG Zhen-He. System for Control， Data Collection and Processing in 8 mm? Portable Microwave Radiometer-Scatterometer. Journal of Shanghai University.2002;(7)
2 TMS320C54x DSP Reference Set Volume 1
3 TMS320C54x Optimizing C/C++ Compiler User＇s Guide? and CPU and Peripherals