基于MSP430的微波成像系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　　摘 要：應用MSP430單片機實現(xiàn)微波成像系統(tǒng)的天線掃描控制及數(shù)據(jù)采集功能，介紹了該系統(tǒng)控制及采集部分的硬件結(jié)構(gòu)及軟件設計。

　　主題詞：MSP430單片機;微波成像系統(tǒng);掃描控制;數(shù)據(jù)采集

　　引言

　　在無源微波遙感中，微波輻射計是一種獲取場景微波特征的重要手段。微波輻射計通常是一部超外差接收機，通過接收被測場景在一定頻帶內(nèi)的電磁輻射，轉(zhuǎn)換為輸出的低頻信號，來表征被測場景的地物信息。利用微波輻射計來探測、接收被測目標、背景在微波波段的電磁輻射，并把接收到的輻射信號按比例用偽彩色圖像直觀地顯現(xiàn)出來的系統(tǒng)稱為微波輻射成像系統(tǒng)。

　　微波輻射成像系統(tǒng)要求在惡劣的環(huán)境和天氣下長期穩(wěn)定地進行天線掃描成像，所以要求系統(tǒng)設備用于天線掃描控制及數(shù)據(jù)采集的電路盡量簡單、穩(wěn)定。基于以上的要求，采用了TI公司所生產(chǎn)的型超低功耗FLASH單片機作為這套系統(tǒng)的從機部分，該單片機有60KB的FLASH存儲器和 2KB的RAM存儲器，可以在一臺PC及JTAG控制器的幫助下實現(xiàn)程序的下載，完成程序調(diào)試。

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件設計

　　● 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　微波輻射成像系統(tǒng)的原理如圖1所示。

　　系統(tǒng)采用主從式計算機進行工作，其中主機采用PC機進行人機對話以及實時成像，從機采用MSP430F149單片機進行步進電機的智能控制以及高速數(shù)據(jù)采集，主從機之間采用RS232串行通信端口進行通信。成像時，先由PC機送出命令參數(shù)，再由單片機根據(jù)命令發(fā)出相應的控制信號通過驅(qū)動放大電路進入電機，分別或者同時控制兩臺電機的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，使得輻射計天線進行自動掃描，同時輻射計將接收到的信號進行積分后輸入到MSP430單片機集成的12位 ADC的模擬信號輸入通道，進行12位的A/D轉(zhuǎn)換，然后由單片機通過串口發(fā)送程序送入主機存儲并顯示相應的偽彩色圖像。

　　為了方便以后的軟件升級，在電路中預留了JTAG調(diào)試口可以隨時進行軟件調(diào)試，并且將數(shù)據(jù)采集信號線，電機控制信號線和定位信號線統(tǒng)一用一個并行接口口輸出，方便系統(tǒng)安裝調(diào)試，從機部分硬件電路原理如圖2。

　　● 天線控制電路

　　使用MSP430F149的P1端口來控制兩個電機，每次輸出的是一個字節(jié)，它的高三位控制水平電機，中間三位控制縱向電機。由于控制電機驅(qū)動柜要求的驅(qū)動信號電平和信號電流比單片機I/O口輸出的信號電平和電流都高，同時為了使單片機的輸出電平不受驅(qū)動放大電路的影響，使用了兩片光電耦合器 TLP521為電機驅(qū)動電路提供驅(qū)動信號。

　　● 數(shù)據(jù)采集電路

　　MSP430F149具有12位ADC，輻射計輸出信號可直接送入該單片機進行12位A/D轉(zhuǎn)換而無需外圍擴展A/D轉(zhuǎn)換芯片，多種不同的采樣模式可以有效降低軟件的復雜度。由于需要定時利用單個通道接收信號，因此采用單通道單次采樣的模式進行數(shù)據(jù)采集。

　　● 通信電路

　　MSP430F149與PC機的通信采用RS232串行通信總線，采用HARRIS公司生產(chǎn)的ICL232作為RS232電平轉(zhuǎn)換芯片。

　　● 定位電路

　　在微波成像系統(tǒng)中，為了防止電機的失步，保證天線掃描場景與PC機所成圖像場景一致必須在單片機上外加定位電路，使得天線掃描一周后能夠確定天線的零位，在天線的轉(zhuǎn)臺上安裝一個撞針，并接單片機的P2.0端口，平時保持開路狀態(tài)，P2.0端口保持高電平，當天線旋轉(zhuǎn)至零位時，撞針與地線接觸，發(fā)生短路，P2.0端口電平變?yōu)?V，單片機檢測到電平發(fā)生跳變，使單片機產(chǎn)生中斷信號，由此判定天線是否到零位。等效電路如圖3所示。

　　● 電源電路

　　除MSP430F149外，其他芯片均需要電源提供+5V的電壓才能工作。系統(tǒng)統(tǒng)一外接5V電源，用電壓轉(zhuǎn)換芯片EZ1085C-3.3將5V的電壓轉(zhuǎn)換為3.3V為單片機供電。

　　系統(tǒng)軟件設計

　　● 功能需求及流程

　　微波輻射成像系統(tǒng)的軟件部分要完成的功能主要如下。

　　(1)實時進行微波掃描成像，要同時完成控制步進電機以一定的速度旋轉(zhuǎn);按一定的采樣速率采集輻射計輸出的電壓值;實時在顯示器上顯示輻射成像系統(tǒng)掃描的場景的偽彩色圖像;存儲輻射圖像到硬盤;打印輻射圖像;

　　(2)對已有的輻射圖像重現(xiàn)、觀察和分析;

　　(3)對輻射計進行定標計算;

　　(4)單獨驅(qū)動步進電機以不同的方式運動。

　　其中MSP430單片機要完成的工作有：接收主機發(fā)送的命令參數(shù)，利用機內(nèi)的定時器定時中斷，中斷處理程序決定是否驅(qū)動電機走一步或采樣一點;要采樣一點，從數(shù)據(jù)端口讀入輻射計接收機的輸出信號并進行A/D轉(zhuǎn)換，要驅(qū)動步進電機走一步，對片上I/O端口發(fā)出一個驅(qū)動脈沖。以上的操作周期為毫秒級。單片機與PC機通過串行通信端口進行數(shù)據(jù)交換。

　　程序流程圖如圖4所示。

　　● 天線掃描方式選擇及實現(xiàn)

　　在微波輻射測量中，采用天線主波束掃描可以對所感興趣的場景實現(xiàn)輻射測量成像。由于輻射計相對場景是固定的，故須采用二維機械掃描。

　　在二維機械掃描過程中，根據(jù)采樣方式的不同，通?？梢圆捎脙煞N方式。

　　在鐘擺掃描方式中，天線如鐘擺一樣在一維往返掃描，每條掃描線均進行采樣，一行掃描完后，天線的另一維抬高一個角度繼續(xù)掃描下一行，直到掃完全部區(qū)域。根據(jù)選用哪一維擺動以及回程是否采樣，這種方式又以分為4種情況，如圖5所示。其中方式a、c均為正程掃描采樣，逆程不采樣方式，其優(yōu)點是各行(或列)之間沒有機械齒距誤差，但成像時間差不多是方式b、d的兩倍，而方式b、d則有成像速度快，有齒距誤差的特點，不過這種誤差比較均勻，可以通過機械校正來彌補。

　　在圓周掃描方式中，通常是天線的水平一維以勻速進行旋轉(zhuǎn)，在一定的角度范圍內(nèi)采樣，每旋轉(zhuǎn)一周后，縱向一維抬高一個角度。它的機械實現(xiàn)簡便，有足夠的時間和空間定標，由于掃描過程中不需要來回的加減速與換向過程，故掃描速度會有很大的提高。

　　由于兩電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動時機都不相同，因而保證它們的連續(xù)變相就十分重要，否則，電機的轉(zhuǎn)動就不會平穩(wěn)，容易損壞，因此要有精確的時鐘定時裝置對系統(tǒng)的電機控制和數(shù)據(jù)采集部分進行中斷操作，才能使兩臺電機分別或者同時平穩(wěn)的運行，采樣位置準確。在程序中采用了MSP430單片機片內(nèi)的16位定時器 Timer_A進行定時中斷，當程序運行時，首先根據(jù)主機發(fā)送的命令參數(shù)計算出掃描和采樣所需要的定時時間，然后預置相應的定時器最大計數(shù)值(最大不超過 65536)，定時器從0計數(shù)至最大值時發(fā)生中斷，進入中斷子程序，根據(jù)程序設定的標志位mxy判斷是水平還是垂直電機轉(zhuǎn)動，如果要控制水平電機，則調(diào)用 go_stepx(cw,direction_x)函數(shù)，該函數(shù)讀出P1端口前三位，根據(jù)其值確定下一相的控制字cw，同時，該函數(shù)返回改變后的cw值，可供下一次調(diào)用。如果要控制縱向電機，則調(diào)用go_stepy(cw,direction_y)函數(shù)讀出P1端口中間三位，它也返回改變后的cw值，然后驅(qū)動電機走一步，執(zhí)行完畢后返回主程序。當電機走過相應的采樣步數(shù)后，程序發(fā)生中斷，進入采樣處理程序。

　　數(shù)據(jù)采集模塊設計

　　采樣處理程序開始運行時，首先將ADC12控制寄存器中的ADC12SC和ENC置位，將輸入信號送入采樣保持電路，然后將ADC12SC復位，停止采樣，啟動A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號并存入選擇的轉(zhuǎn)換存儲寄存器，單片機通過片內(nèi)的異步通用串行模塊將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入主機內(nèi)進行實時成像處理。

　　結(jié)語

　　本系統(tǒng)將天線控制及數(shù)據(jù)采集部分和實時成像部分分離，并且采用了高度集成的MSP430F149芯片，減少了線路損耗，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而降低了成本并且提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠性。