用單片機實現(xiàn)微波成像系統(tǒng)的掃描控制與數(shù)據(jù)采集

----系統(tǒng)總體結構及硬件設計
● 系統(tǒng)整體結構
----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動放大電路進入電機，分別或者同時控制兩臺電機的轉向與轉速，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調試口可以隨時進行軟件調試，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。由于控制電機驅動柜要求的驅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動放大電路的影響，使用了兩片光電耦合器TLP521為電機驅動電路提供驅動信號。
● 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轉換而無需外圍擴展A/D轉換芯片，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，用電壓轉換芯片EZ1085C-3.3將5V的電壓轉換為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；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)，利用機內的定時器定時中斷，中斷處理程序決定是否驅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轉換，要驅動步進電機走一步，對片上I/O端口發(fā)出一個驅動脈沖。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，在一定的角度范圍內采樣，每旋轉一周后，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。
----由于兩電機的轉速，轉動時機都不相同，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動，如果要控制水平電機，則調用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，可供下一次調用。如果要控制縱向電機，則調用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轉換，將模擬信號轉換為12位數(shù)字信號并存入選擇的轉換存儲寄存器，單片機通過片內的異步通用串行模塊將轉換結果送入主機內進行實時成像處理。

結語
----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)結構，從而降低了成本并且提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠性。