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(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集、處理和控制系統(tǒng)。首先闡述了微波輻射散射計的工作原理及對數(shù)據(jù)采集、處理和控制電路的要求;然后著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計;最后對輻射散射計數(shù)據(jù)處理" title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了分析,并給出了在CCS環(huán)境下可以運行的幾個關(guān)鍵的C語言程序。
關(guān)鍵詞: 嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)? DSP? CPU? 輻射計? 散射計
?
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(nèi)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(shù)。因同一被測目標(biāo)的散射和輻射特性具有很強(qiáng)的互補(bǔ)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(jìn)行互補(bǔ)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(biāo)信號和參考信號,對采集的信號進(jìn)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(wù)。通常的辦法是將采集的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)進(jìn)行處理,這樣整個系統(tǒng)的體積較大。而微波輻射散射計需要長期工作在現(xiàn)場甚至野外,體積的大小和系統(tǒng)的便攜性比較重要。當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各類電子設(shè)備,如移動設(shè)備、掌上PDA、數(shù)字電視等。嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式處理器為核心,存儲器和I/O等設(shè)備而構(gòu)成的系統(tǒng)。它區(qū)別于PC機(jī)系統(tǒng)。將嵌入式設(shè)計方法應(yīng)用于微波輻射散射計將會大大減小系統(tǒng)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(biāo)輻射信號和兩參考溫度信號;散射計接收目標(biāo)散射信號和內(nèi)部校正信號。系統(tǒng)處于輻射計工作方式時,將固態(tài)噪聲源、功放、隔離器、發(fā)射天線關(guān)閉;DICKE開關(guān)分時切換接收天線的信號和雙參考負(fù)載;接收極化開關(guān)使接收的V、H極化信號分時送入DICKE開關(guān);負(fù)載開關(guān)切換高低溫參考負(fù)載;DICKE開關(guān)的輸出信號與本振信號混頻后經(jīng)中放、檢波和低放后送入A/D采樣。系統(tǒng)處于散射計工作方式時,固態(tài)噪聲源產(chǎn)生的噪聲經(jīng)功放和隔離器后,再經(jīng)過發(fā)射校正開關(guān)送入發(fā)射極化開關(guān),通過極化分離器送入發(fā)射天線發(fā)射。散射計的接收部分利用輻射計的接收通道,不同的是負(fù)載開關(guān)固定地接收低參考溫度負(fù)載,而發(fā)射校正開關(guān)使固態(tài)噪聲源分時地送入發(fā)射機(jī)和定向耦合器,定向耦合器將固態(tài)噪聲源信號耦合送入低溫參考負(fù)載,供實時校正。系統(tǒng)處于輻射散射計的組合模式時,可以按分時的方式分別進(jìn)行VV、HH、VH、HV散射測量和V、H的輻射測量,根據(jù)測量值來分析被測目標(biāo)。
?
本系統(tǒng)需控制發(fā)射極化開關(guān)、接收極化開關(guān)、發(fā)射校正開關(guān)、DICKE開關(guān)和負(fù)載開關(guān),系統(tǒng)還需具有測溫、控溫和控制步進(jìn)電機(jī)等功能。在系統(tǒng)中要完成的數(shù)據(jù)采集有系統(tǒng)的高低參考溫度和混頻檢波的輸出信號。由于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜,僅用微處理器很難在數(shù)據(jù)采集的同時,完成實時的數(shù)據(jù)處理。為此一般采用將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)進(jìn)行處理。
微處理器與PC機(jī)間的通信采用RS232。下面提出一種以DSP+單片機(jī)為核心的輻射散射計嵌入式數(shù)據(jù)采集、處理和控制的方案。
2 輻射散射計的嵌入式數(shù)據(jù)采集、處理和控制系統(tǒng)
根據(jù)上述輻射散射計的工作原理和對數(shù)據(jù)采集、處理及控制電路的分析,可以知道整個嵌入式系統(tǒng)需要一組控制信號來控制各路開關(guān)、電機(jī)和溫度。系統(tǒng)需要采集目標(biāo)的輻射、散射信號和高低參考負(fù)載溫度信號。采集獲得的數(shù)據(jù)需進(jìn)行實時可靠的處理,并顯示出相應(yīng)的處理結(jié)果。設(shè)計輻射散射計的嵌入式數(shù)據(jù)采集、處理和控制系統(tǒng),可以采用以DSP+單片機(jī)為核心的主從式嵌入系統(tǒng)實現(xiàn)。在系統(tǒng)中DSP主要完成數(shù)據(jù)處理和一些按鍵、顯示工作;單片機(jī)完成各組控制信號的輸出和數(shù)據(jù)的采集,同時負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的工作方式。這種主從式系統(tǒng)有利于充分發(fā)揮DSP和單片機(jī)自身優(yōu)勢。
2.1 系統(tǒng)的工作原理
整個嵌入式系統(tǒng)如圖2。DSP和PIC16F874單片機(jī)采用HPI-8主從接口進(jìn)行通信。程序存儲器AT29LV1024存儲DSP程序,數(shù)據(jù)存儲器CY7C1021VC33存儲單片機(jī)采集的原始數(shù)據(jù)和DSP處理后、處理過程中的數(shù)據(jù)。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(nèi)A/D采樣電路,可以將輻射信號、散射信號、高低參考溫度、環(huán)境溫度、機(jī)箱溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
?
2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
圖3是DSP的存儲器擴(kuò)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(dāng)/IS和A12都為0時,U1選通。這樣U1的地址可設(shè)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(dāng)
和A13都為0時,U2選通。這樣U2的地址可設(shè)為0DFFFH,DSP對U2采用定時讀入,根據(jù)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(dāng)
和A14都為0時，液晶選通。
?
圖4是DSP與單片機(jī)的通信及數(shù)據(jù)采集、控制電路,5402(從處理器)和PIC16F874(主處理器)通過HPI-8進(jìn)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(shù)據(jù)通信,其效率更高。5402的HD0～7是8位數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)類型。因5402的數(shù)據(jù)、地址和控制字都是16位數(shù)據(jù),主處理器需要分兩次傳送數(shù)據(jù)?？刂凭€HBIL指示主機(jī)傳送的是第一字節(jié)還是第二字節(jié)。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(nèi)部選通。HPIENA是HPI使能端。DSP上電復(fù)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(jī)要讀HPI-8，低電平表示主機(jī)要寫HPI-8。將引腳HAS接高電平。
?
?
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(jìn)行內(nèi)部采樣。PIC16F874將采集的數(shù)據(jù)通過HPI-8送入5402進(jìn)行處理,同時根據(jù)輻射散射計工作模式給出相應(yīng)的各組控制開關(guān)信號和電機(jī)驅(qū)動信號。
2.3 嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計
嵌入式系統(tǒng)僅有硬件是不夠的,必須配備相應(yīng)的操作系統(tǒng)。早期的嵌入式系統(tǒng)采用前后臺系統(tǒng),這種前后臺系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性很差;而實時嵌入式操作系統(tǒng)以其高可靠性、高開發(fā)效率和多任務(wù)特性得到越來越廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)軟件包括DSP通信軟件、鍵盤的I/O驅(qū)動程序、液晶的驅(qū)動程序、任務(wù)調(diào)度處理程序和單片機(jī)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(qū)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(tǒng)設(shè)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(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度、中斷處理、I/O服務(wù)等。同時DSP/BIOS能實時獲取目標(biāo)機(jī)的信息,在軟件調(diào)試階段能對應(yīng)用程序進(jìn)行實時調(diào)查(probe)、跟蹤(trace)和監(jiān)控(monitor)。這樣在系統(tǒng)的軟件開發(fā)階段可以簡化系統(tǒng)的軟件設(shè)計,節(jié)約開發(fā)時間。DSP/BIOS以API調(diào)用的形式被C語言和匯編語言調(diào)用,在編譯時DSP/BIOS庫與應(yīng)用程序連接,并映射到目標(biāo)系統(tǒng)的程序中。
3 嵌入式輻射散射計的數(shù)據(jù)處理及實現(xiàn)
在輻射散射計中有兩個核心的數(shù)據(jù)處理,一個是輻射計亮度溫度,另一個是散射計的散射系數(shù)。
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(fù)載溫度TL和高參考負(fù)載溫度TH的輻射信號。這些信號經(jīng)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(dāng)單片機(jī)采集到這些數(shù)據(jù)后將其送入DSP,DSP需要根據(jù)V1、V2、V3、TH、TL求取TA。在DSP進(jìn)行這種數(shù)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(shù)
根據(jù)雷達(dá)方程可以推出后向散射系數(shù)σpq：
????
其中θi為入射角,H為天線架設(shè)的高度,I(θi,H)? 為照射積分,它是入射角和天線高度的函數(shù),Pr為天線接收功率,Pt為天線的發(fā)射功率,Kdb為常數(shù)。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(shù)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)； }
?
參考文獻(xiàn)
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