基于FPGA的微波辐射计数控系统原理及设计

　　微波辐射计是一种被动式的微波遥感器，用于全天时、全天候地观测全球大气温度和湿度、降雨量等空间气象资料，在全球性水文循环探测、地质与资源调查、海洋环境与海况检测、灾害性天气预报与检测等研究中发挥了重要作用。由于微波辐射计是一种被动式的遥感器，其灵敏度要求很高，同时，由于当今遥感仪器的设计越来越趋于高功能密度及小型化，因此，要求多通道微波辐射计的数据处理与控制系统具有高可靠性、高分辨率、实时性好、体积小、重量轻、功耗低以及可移植性强等特点。以往多数微波辐射计数控系统中采用的以80C31为核心的设计，由于受微处理器芯片和外围电路的限制，扩展性差，所占体积较大，且需要多块电路板协调工作，功耗较大。鉴于FPGA功能强大、逻辑速度快、功耗低及可移植性强等优点，本文采用FPGA为核心进行微波辐射计数控系统设计，实现了设备的低功耗和轻小型化。
  　　1 系统结构
  　　5频段双极化微波辐射计共10个通道，其中每个频段结构框图如图1所示，由天线单元、接收机单元、定标单元、数据处理与控制系统、测温电路等功能模块组成。接收机单元包括内检波、低频放大、积分等部分[1]。接收机的输入端通过电子开关周期地在天线单元和定标单元之间切换，同时噪声源在加电和不加电两种状态下与匹配负载耦合，从而使定标源产生高、低不同的亮温，5个频段共用一套数据处理与控制系统。
  　　数据管理与控制系统接收远程计算机注入指令包，控制系统开关机和噪声源上下电，系统上电后，由接收机单元接收的模拟信号送入数据处理与控制系统，由数据处理与控制系统进行数据采集与存储，AGC自动增益控制、工作状态控制以及与远程计算机的数据通信。可见，数据处理与控制系统在微波辐射计各模块中处于至关重要的位置。
  　　1.1 数控系统总体结构
  　　数控系统由FPGA及外围电路、数据采集电路、AGC自动增益控制电路、系统开关控制电路、电平转换电路、总线接口电路等部分组成，如图2所示。
  　　FPGA根据系统既定的时序或远程计算机注入的控制指令，通过电平转换电路进行转换后，控制数据采集电路完成科学数据和温度数据的采集，并控制AGC自动增益控制电路为多通道微波辐射计冷源和热源的定标提供AGC调整值[2]。同时，FPGA通过控制电平控制系统开关，由控制电路完成整个系统、接收机和噪声源的开关机功能，并完成科学数据包到远程计算机的回传。
  　　数控系统以Xilinx公司的Virtex-4系列FPGA为核心进行设计，其配置PROM采用XCF32P，32 M存储容量。
  　　数据采集电路采用AD公司的16位并行模数转换器AD976A，芯片转换速率为200 KS/s，此高速A/D转换器采用电荷重分布技术进行逐次逼近型模数转换，因而不必外加采样保持器。电压输入范围为-10 V～+10 V，分辨率高，可做到16位不失码。
  　　AGC自动增益控制电路采用AD公司的12位并行数模转换器AD7247，电压输出范围选择0 V~5 V，满足微波辐射计数控系统精度要求。
  　　1.2 硬件设计与实现
  　　1.2.1 数据采集电路
  　　数据采集电路由隔离驱动电路、多个多路选择器以及一个A/D转换器组成。其中，隔离驱动电路采用JFET输入的运算放大器进行隔离和驱动；多路选择器对10路遥感信号和25路温度数据进行选择，其地址信号由FPGA的I/O接口提供，经电平转换后送入多路选择器；A/D芯片转换速率为200 KS/s，16 bit双极性输出，最高位表示符号位，硬件电路如图3所示。采集到的数据存入FPGA的SRAM中，工作周期为60 s，一个工作周期结束后，将科学数据和温度数据下传到远程计算机。
  　　AD976A进行数据采集时，置CS引脚固定为低电平，则转换时序由R/C信号的下降沿控制，信号脉冲宽度至少为50 ns。当R/C变为低电平时，BUSY信号也变为低电平，标志转换结束，则移位寄存器中的数据被更新的二进制补码替代，其中，R/C控制端由FPGA的I/O端口进行控制。
  　　1.2.2 AGC自动增益控制电路
  　　AGC自动增益控制电路由5个两通道D/A转换器AD7247和隔离驱动电路组成，硬件电路如图4所示。由FPGA对数据采集电路采集的微波辐射计冷源和热源定标值进行判断，为AGC自动增益控制电路提供有效的AGC调整值，通过D/A转换器及隔离驱动电路后提供给微波辐射计的接收机单元。其中，5个D/A转换器并联为微波辐射计10个通道提供AGC调整值，片选信号和转换信号由FPGA的I/O端口进行控制。
  　　1.2.3 系统开关控制电路
  　　系统开关控制电路包括系统上下电和噪声源开关控制电路两部分。其中，系统上下电通过四触点磁保持继电器及ULN2003A构成的驱动电路控制，该磁保持继电器有2个线圈：1个置位线圈Set和1个复位线圈Reset，均通过脉冲触发。当继电器Set端出现上升沿时，继电器吸合，系统上电；当继电器Reset端出现上升沿时，继电器断开，系统下电。由于继电器在切换瞬间电流较大，因此需要外加驱动电路，由ULN2003A构成[3]。此种继电器具有保持功能，一旦置位或复位，即使线圈断电，继电器仍保持原状态，从而降低了功耗。            
  
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