用MSP430實現微波成像的掃描控制與數據采集

系統軟件設計

　　● 功能需求及流程

　　----微波輻射成像系統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、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：接收主機發送的命令參數,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,從數據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據交換。

　　----程序流程圖如圖4所示。

　　● 天線掃描方式選擇及實現

　　----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,每條掃描線均進行采樣,一行掃描完后,天線的另一維抬高一個角度繼續掃描下一行,直到掃完全部區域。根據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變相就十分重要,否則,電機的轉動就不會平穩,容易損壞,因此要有精確的時鐘定時裝置對系統的電機控制和數據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,首先根據主機發送的命令參數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值(最大不超過65536),定時器從0計數至最大值時發生中斷,進入中斷子程序,根據程序設定的標志位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,該函數讀出P1端口前三位,根據其值確定下一相的控制字cw,同時,該函數返回改變后的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,執行完畢后返回主程序。當電機走過相應的采樣步數后,程序發生中斷,進入采樣處理程序。

數據采集模塊設計

　　----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

　　----本系統將天線控制及數據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,簡化了系統結構,從而降低了成本并且提高了系統運行的穩定可靠性。

參考文獻

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

　　----2 魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例.北京航天航空大學出版社. 2002

　　----3 張祖蔭,林世杰. 微波輻射測量技術及應用. 電子工業出版社.1995

　　----4 劉寶江,董航.機載毫米波成像微波輻射計天線掃描系統.遙感技術與應用.1997.12