用MSP430實(shí)現(xiàn)微波成像的掃描控制與數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　● 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(shí)時(shí)進(jìn)行微波掃描成像,要同時(shí)完成控制步進(jìn)電機(jī)以一定的速度旋轉(zhuǎn);按一定的采樣速率采集輻射計(jì)輸出的電壓值;實(shí)時(shí)在顯示器上顯示輻射成像系統(tǒng)掃描的場(chǎng)景的偽彩色圖像;存儲(chǔ)輻射圖像到硬盤;打印輻射圖像;

　　----(2)對(duì)已有的輻射圖像重現(xiàn)、觀察和分析;

　　----(3)對(duì)輻射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)計(jì)算;

　　----(4)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以不同的方式運(yùn)動(dòng)。

　　----其中MSP430單片機(jī)要完成的工作有：接收主機(jī)發(fā)送的命令參數(shù),利用機(jī)內(nèi)的定時(shí)器定時(shí)中斷,中斷處理程序決定是否驅(qū)動(dòng)電機(jī)走一步或采樣一點(diǎn);要采樣一點(diǎn),從數(shù)據(jù)端口讀入輻射計(jì)接收機(jī)的輸出信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)走一步,對(duì)片上I/O端口發(fā)出一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖。以上的操作周期為毫秒級(jí)。單片機(jī)與PC機(jī)通過(guò)串行通信端口進(jìn)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(shí)現(xiàn)

　　----在微波輻射測(cè)量中,采用天線主波束掃描可以對(duì)所感興趣的場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)量成像。由于輻射計(jì)相對(duì)場(chǎng)景是固定的,故須采用二維機(jī)械掃描。

　　---- 在二維機(jī)械掃描過(guò)程中,根據(jù)采樣方式的不同,通常可以采用兩種方式。

　　----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(jìn)行采樣,一行掃描完后,天線的另一維抬高一個(gè)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(dòng)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(diǎn)是各行(或列)之間沒(méi)有機(jī)械齒距誤差,但成像時(shí)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(diǎn),不過(guò)這種誤差比較均勻,可以通過(guò)機(jī)械校正來(lái)彌補(bǔ)。

　　----在圓周掃描方式中,通常是天線的水平一維以勻速進(jìn)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(gè)角度。它的機(jī)械實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便,有足夠的時(shí)間和空間定標(biāo),由于掃描過(guò)程中不需要來(lái)回的加減速與換向過(guò)程,故掃描速度會(huì)有很大的提高。

　　----由于兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)就不會(huì)平穩(wěn),容易損壞,因此要有精確的時(shí)鐘定時(shí)裝置對(duì)系統(tǒng)的電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行中斷操作,才能使兩臺(tái)電機(jī)分別或者同時(shí)平穩(wěn)的運(yùn)行,采樣位置準(zhǔn)確。在程序中采用了MSP430單片機(jī)片內(nèi)的16位定時(shí)器Timer_A進(jìn)行定時(shí)中斷,當(dāng)程序運(yùn)行時(shí),首先根據(jù)主機(jī)發(fā)送的命令參數(shù)計(jì)算出掃描和采樣所需要的定時(shí)時(shí)間,然后預(yù)置相應(yīng)的定時(shí)器最大計(jì)數(shù)值(最大不超過(guò)65536),定時(shí)器從0計(jì)數(shù)至最大值時(shí)發(fā)生中斷,進(jìn)入中斷子程序,根據(jù)程序設(shè)定的標(biāo)志位mxy判斷是水平還是垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),如果要控制水平電機(jī),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(shí),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(jī),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(dòng)電機(jī)走一步,執(zhí)行完畢后返回主程序。當(dāng)電機(jī)走過(guò)相應(yīng)的采樣步數(shù)后,程序發(fā)生中斷,進(jìn)入采樣處理程序。

數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

　　----采樣處理程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí),首先將ADC12控制寄存器中的ADC12SC和ENC置位,將輸入信號(hào)送入采樣保持電路,然后將ADC12SC復(fù)位,停止采樣,啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)并存入選擇的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器,單片機(jī)通過(guò)片內(nèi)的異步通用串行模塊將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入主機(jī)內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像處理。

結(jié)語(yǔ)

　　----本系統(tǒng)將天線控制及數(shù)據(jù)采集部分和實(shí)時(shí)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(jiǎn)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(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。

參考文獻(xiàn)

　　----1 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī).北京航天航空大學(xué)出版社.2001

　　----2 魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例.北京航天航空大學(xué)出版社. 2002

　　----3 張祖蔭,林世杰. 微波輻射測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社.1995

　　----4 劉寶江,董航.機(jī)載毫米波成像微波輻射計(jì)天線掃描系統(tǒng).遙感技術(shù)與應(yīng)用.1997.12