基于FPGA的微波輻射計數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

微波輻射計是一種被動式的微波遙感器，用于全天時、全天候地觀測全球大氣溫度和濕度、降雨量等空間氣象資料，在全球性水文循環(huán)探測、地質(zhì)與資源調(diào)查、海洋環(huán)境與海況檢測、災(zāi)害性天氣預(yù)報與檢測等研究中發(fā)揮了重要作用。由于微波輻射計是一種被動式的遙感器，其靈敏度要求很高，同時，由于當(dāng)今遙感儀器的設(shè)計越來越趨于高功能密度及小型化，因此，要求多通道微波輻射計的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)具有高可靠性、高分辨率、實時性好、體積小、重量輕、功耗低以及可移植性強(qiáng)等特點。以往多數(shù)微波輻射計數(shù)控系統(tǒng)中采用的以80C31為核心的設(shè)計，由于受微處理器芯片和外圍電路的限制，擴(kuò)展性差，所占體積較大，且需要多塊電路板協(xié)調(diào)工作，功耗較大。鑒于FPGA功能強(qiáng)大、邏輯速度快、功耗低及可移植性強(qiáng)等優(yōu)點，本文采用FPGA為核心進(jìn)行微波輻射計數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了設(shè)備的低功耗和輕小型化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5頻段雙極化微波輻射計共10個通道，其中每個頻段結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由天線單元、接收機(jī)單元、定標(biāo)單元、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、測溫電路等功能模塊組成。接收機(jī)單元包括內(nèi)檢波、低頻放大、積分等部分[1]。接收機(jī)的輸入端通過電子開關(guān)周期地在天線單元和定標(biāo)單元之間切換，同時噪聲源在加電和不加電兩種狀態(tài)下與匹配負(fù)載耦合，從而使定標(biāo)源產(chǎn)生高、低不同的亮溫，5個頻段共用一套數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)接收遠(yuǎn)程計算機(jī)注入指令包，控制系統(tǒng)開關(guān)機(jī)和噪聲源上下電，系統(tǒng)上電后，由接收機(jī)單元接收的模擬信號送入數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲，AGC自動增益控制、工作狀態(tài)控制以及與遠(yuǎn)程計算機(jī)的數(shù)據(jù)通信。可見，數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)在微波輻射計各模塊中處于至關(guān)重要的位置。

1.1 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)由FPGA及外圍電路、數(shù)據(jù)采集電路、AGC自動增益控制電路、系統(tǒng)開關(guān)控制電路、電平轉(zhuǎn)換電路、總線接口電路等部分組成，如圖2所示。

FPGA根據(jù)系統(tǒng)既定的時序或遠(yuǎn)程計算機(jī)注入的控制指令，通過電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，控制數(shù)據(jù)采集電路完成科學(xué)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集，并控制AGC自動增益控制電路為多通道微波輻射計冷源和熱源的定標(biāo)提供AGC調(diào)整值[2]。同時，F(xiàn)PGA通過控制電平控制系統(tǒng)開關(guān)，由控制電路完成整個系統(tǒng)、接收機(jī)和噪聲源的開關(guān)機(jī)功能，并完成科學(xué)數(shù)據(jù)包到遠(yuǎn)程計算機(jī)的回傳。

數(shù)控系統(tǒng)以Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA為核心進(jìn)行設(shè)計，其配置PROM采用XCF32P，32 M存儲容量。

數(shù)據(jù)采集電路采用AD公司的16位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD976A，芯片轉(zhuǎn)換速率為200 KS/s，此高速A/D轉(zhuǎn)換器采用電荷重分布技術(shù)進(jìn)行逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換，因而不必外加采樣保持器。電壓輸入范圍為-10 V～+10 V，分辨率高，可做到16位不失碼。

AGC自動增益控制電路采用AD公司的12位并行數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7247，電壓輸出范圍選擇0 V~5 V，滿足微波輻射計數(shù)控系統(tǒng)精度要求。

1.2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路由隔離驅(qū)動電路、多個多路選擇器以及一個A/D轉(zhuǎn)換器組成。其中，隔離驅(qū)動電路采用JFET輸入的運算放大器進(jìn)行隔離和驅(qū)動；多路選擇器對10路遙感信號和25路溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，其地址信號由FPGA的I/O接口提供，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送入多路選擇器；A/D芯片轉(zhuǎn)換速率為200 KS/s，16 bit雙極性輸出，最高位表示符號位，硬件電路如圖3所示。采集到的數(shù)據(jù)存入FPGA的SRAM中，工作周期為60 s，一個工作周期結(jié)束后，將科學(xué)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)下傳到遠(yuǎn)程計算機(jī)。