摘  要: 介绍一种可用于微波辐射" title="微波辐射">微波辐射散射计的嵌入式数据采集" title="数据采集">数据采集、处理和控制系统。首先阐述了微波辐射散射计的工作原理及对数据采集、处理和控制电路的要求;然后着重介绍了该系统的硬件设计;最后对辐射散射计数据处理" title="数据处理">数据处理进行了分析,并给出了在CCS环境下可以运行的几个关键的C语言程序。

　　关键词: 嵌入式系统" title="嵌入式系统">嵌入式系统  DSP  CPU  辐射计  散射计

　　微波遥感有全天候、全天时、能穿透植被、土壤等特性, 它可以获得可见光、红外遥感所无法获得的信息。对物体辐射散射特性的研究是微波遥感的重要内容和手段, 用辐射计可以测量物体亮度温度,用散射计可以测量物体的散射系数。因同一被测目标的散射和辐射特性具有很强的互补性,将辐射计和散射计组合起来能对同时获取的散射信息和辐射信息进行互补融合研究,以更好地获取物体的特性。

　　微波辐射散射计需要实时采集目标信号和参考信号,对采集的信号进行实时处理。使用通用的微处理器一般很难完成实时处理任务。通常的办法是将采集的数据送入PC机进行处理,这样整个系统的体积较大。而微波辐射散射计需要长期工作在现场甚至野外,体积的大小和系统的便携性比较重要。当前嵌入式系统已经广泛地应用到各类电子设备,如移动设备、掌上PDA、数字电视等。嵌入式系统是以嵌入式处理器为核心,存储器和I/O等设备而构成的系统。它区别于PC机系统。将嵌入式设计方法应用于微波辐射散射计将会大大减小系统的体积,提高其便携性和可靠性。

1 辐射散射计的工作原理

　　图1是微波辐射散射计的原理框图。本辐射散射计采用双参考温度辐射计和噪声散射计组合而成。辐射计分时接收目标辐射信号和两参考温度信号;散射计接收目标散射信号和内部校正信号。系统处于辐射计工作方式时,将固态噪声源、功放、隔离器、发射天线关闭;DICKE开关分时切换接收天线的信号和双参考负载;接收极化开关使接收的V、H极化信号分时送入DICKE开关;负载开关切换高低温参考负载;DICKE开关的输出信号与本振信号混频后经中放、检波和低放后送入A/D采样。系统处于散射计工作方式时,固态噪声源产生的噪声经功放和隔离器后,再经过发射校正开关送入发射极化开关,通过极化分离器送入发射天线发射。散射计的接收部分利用辐射计的接收通道,不同的是负载开关固定地接收低参考温度负载,而发射校正开关使固态噪声源分时地送入发射机和定向耦合器,定向耦合器将固态噪声源信号耦合送入低温参考负载,供实时校正。系统处于辐射散射计的组合模式时,可以按分时的方式分别进行VV、HH、VH、HV散射测量和V、H的辐射测量,根据测量值来分析被测目标。

　　本系统需控制发射极化开关、接收极化开关、发射校正开关、DICKE开关和负载开关,系统还需具有测温、控温和控制步进电机等功能。在系统中要完成的数据采集有系统的高低参考温度和混频检波的输出信号。由于系统的数据处理比较复杂,仅用微处理器很难在数据采集的同时,完成实时的数据处理。为此一般采用将数据送入PC机进行处理。

　　微处理器与PC机间的通信采用RS232。下面提出一种以DSP+单片机为核心的辐射散射计嵌入式数据采集、处理和控制的方案。

2 辐射散射计的嵌入式数据采集、处理和控制系统

　　根据上述辐射散射计的工作原理和对数据采集、处理及控制电路的分析,可以知道整个嵌入式系统需要一组控制信号来控制各路开关、电机和温度。系统需要采集目标的辐射、散射信号和高低参考负载温度信号。采集获得的数据需进行实时可靠的处理,并显示出相应的处理结果。设计辐射散射计的嵌入式数据采集、处理和控制系统,可以采用以DSP+单片机为核心的主从式嵌入系统实现。在系统中DSP主要完成数据处理和一些按键、显示工作;单片机完成各组控制信号的输出和数据的采集,同时负责整个系统的工作方式。这种主从式系统有利于充分发挥DSP和单片机自身优势。

2.1 系统的工作原理

　　整个嵌入式系统如图2。DSP和PIC16F874单片机采用HPI-8主从接口进行通信。程序存储器AT29LV1024存储DSP程序,数据存储器CY7C1021VC33存储单片机采集的原始数据和DSP处理后、处理过程中的数据。液晶采用LCD模块EDM12864B,它能显示4×8个16×16点阵的汉字。按键采用两个锁存器,通过定时扫描来判断有无按键按下。PIC16F874具有片内A/D采样电路,可以将辐射信号、散射信号、高低参考温度、环境温度、机箱温度转换为数字信号。

2.2 系统的硬件设计

　　图3是DSP的存储器扩展及按键、显示电路。用/PS控制程序存储器FLASH的,用R/W控制FLASH的,FLASH的连接到地。采用/DS控制SRAM的,用R/控制SRAM的,SRAM的、和BLE连接到地。按键和液晶均采用控制。锁存器U1(74HC573)采用/IS和A12选通,当/IS和A12都为0时,U1选通。这样U1的地址可设为0EFFFH,DSP对U1采用定时扫描,依次输出高电平" title="高电平">高电平。锁存器U2(74HC573)采用IOSTRB和A13控制。当和A13都为0时,U2选通。这样U2的地址可设为0DFFFH,DSP对U2采用定时读入,根据读入值和输出值判断有无按键按下和哪个按下。液晶模块采用和A14控制,当和A14都为0时，液晶选通。

　　图4是DSP与单片机的通信及数据采集、控制电路,5402(从处理器)和PIC16F874(主处理器)通过HPI-8进行通信。HPI-8是一种速度快、硬件接口简单的并行通信方式,对于大数据通信,其效率更高。5402的HD0～7是8位数据总线,数据、地址和控制字都通过它来读写,控制线HCNTL0、HCNTL1指示主处理器通过HD0～7读写的数据类型。因5402的数据、地址和控制字都是16位数据,主处理器需要分两次传送数据。控制线HBIL指示主机传送的是第一字节还是第二字节。在图4中通过将HCS接地、HDS2接高电平、HDS1通过程序置0使HPI-8内部选通。HPIENA是HPI使能端。DSP上电复位时,检测HPIENA引脚的电平,如果为高,则使能HPI，故将HPIENA接高电平。引脚HR/W控制读写,高电平表示主机要读HPI-8，低电平表示主机要写HPI-8。将引脚HAS接高电平。

　　PIC16F874具有五路12位的A/D采样电路,可以将高低参考温度信号、混频检波信号进行内部采样。PIC16F874将采集的数据通过HPI-8送入5402进行处理,同时根据辐射散射计工作模式给出相应的各组控制开关信号和电机驱动信号。

2.3 嵌入式操作系统的设计

　　嵌入式系统仅有硬件是不够的,必须配备相应的操作系统。早期的嵌入式系统采用前后台系统,这种前后台系统的稳定性和实时性很差;而实时嵌入式操作系统以其高可靠性、高开发效率和多任务特性得到越来越广泛的应用。本系统软件包括DSP通信软件、键盘的I/O驱动程序、液晶的驱动程序、任务调度处理程序和单片机的软件等。在编写DSP软件时一般采用C语言和汇编语言混合编程。而驱动程序与硬件直接打交道,用C语言不便控制,一般采用汇编语言来处理。

　　在实时操作系统设计中要善于采用DSP/BIOS。 DSP/BIOS是一个实时底层软件，它能提供基于优先级的任务调度、中断处理、I/O服务等。同时DSP/BIOS能实时获取目标机的信息,在软件调试阶段能对应用程序进行实时调查(probe)、跟踪(trace)和监控(monitor)。这样在系统的软件开发阶段可以简化系统的软件设计,节约开发时间。DSP/BIOS以API调用的形式被C语言和汇编语言调用,在编译时DSP/BIOS库与应用程序连接,并映射到目标系统的程序中。

3 嵌入式辐射散射计的数据处理及实现

　　在辐射散射计中有两个核心的数据处理,一个是辐射计亮度温度,另一个是散射计的散射系数。

3.1 双参考温度辐射计测量亮度温度

　　双参考温度辐射计分别测量天线亮温T_A、低参考负载温度T_L和高参考负载温度T_H的辐射信号。这些信号经平方律检波后,输出电压分别为V₁、V₂、V₃,由此可得天线的温度T_A(K)为:

　　当单片机采集到这些数据后将其送入DSP,DSP需要根据V₁、V₂、V₃、T_H、T_L求取T_A。在DSP进行这种数值运算时,采用C语言非常方便。

　　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 散射计的散射系数

　　根据雷达方程可以推出后向散射系数σ_pq：

　　其中θ_i为入射角,H为天线架设的高度,I(θ_i,H)  为照射积分,它是入射角和天线高度的函数,P_r为天线接收功率,P_t为天线的发射功率,K_db为常数。散射计测出P_r和P_t后,K_db和I(θ_i,H)已知，故可以求出后向散射系数σ_pq。

其C语言程序为：

　　# 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)； }

参考文献

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