基于FPGA的微波辐射计数控系统设计与实现

摘 要： 重点设计并实现了863项目“南海深水区动力环境立体检测技术研发”中5频段微波辐射计的数据处理与控制系统，以Xilinx公司Virtex-4系列FPGA为核心，包括数据采集、AGC自动增益控制、系统开关控制、数据通信等模块，精确满足了系统要求，同时给出了系统电路设计、关键模块逻辑图及软件流程图。
关键词： 微波辐射计；FPGA；数据处理与控制系统；数据通信

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。
1.2.4 电平转换电路
由于FPGA设计采用的是LVTTL电平，而数据采集电路及AGC自动增益控制电路采用的是5VCMOS电平，LVTTL的高低电平为：

可见，LVTTL信号与CMOS信号不可直接互联，因此设计选用TI公司的SN74ALVC164245芯片(具有三态输出的16 bit 3.3 V到5 V电平转换收发器)实现LVTTL与CMOS电平的互联。
1.2.5 总线接口电路
总线接口电路通过串行通信接口实现数控系统与远程计算机的数据通信，由MAX232完成TTL电平到EIA的电平转换，硬件电路如图5所示。

2 数控系统FPGA软件设计
FPGA软件部分包括总线控制模块、天线驱动接口模块、数据采集模块、AGC模块和系统开关控制模块5部分，使用同一时钟进行同步处理，控制其他电路共同完成微波辐射计的冷热源定标、数据采集和工作状态控制等功能。FPGA软件信息流程图如图6所示。

其中，总线控制模块包括初始化配置模块、数据传输模块和中断处理模块。数据传输模块负责与远程计算机传输科学数据包，包括定标数据、科学数据和温度数据；中断处理模块负责传输工程遥测包的数据注入和内部指令注入，分别存入相应的数据缓冲区并设置相应的标志位，控制微波辐射计各部分运行状态。
天线驱动模块负责执行总线控制模块传输的各种天线控制指令，同时读取天线状态字和天线角编码，并存入数据缓冲区，等待下传。
数据采集模块为多路选择器提供地址信号，并为A/D转换器提供片选信号，控制数据采集电路工作，同时依次采集科学数据和温度数据，并在一个周期后打包下传。
AGC模块依据数据采集电路采集的热源和冷源的定标数据，按照AGC调节标准调整AGC值，使冷源输出下限为3.3 V，热源输出上限为4 V。AGC调整方式为步进式调整，调整步长为5 mV，系统工作在最佳状态后，将调整后的AGC值与科学数据包共同打包下传。
系统上电后进行初始化，为防止系统上电时复位不充分，系统上电后进行3 s的延时，然后进行系统初始化，顺序依次为内存、外存、I/O端口[4]。程序中使用的以及需要预设初值的所有变量都要进行初始化，不使用的内存地址同时初始化为00H。
初始化后按照天线对定标区和目标观测区的扫描时序进行观测。每个观测周期的观测顺序为：热源定标→冷源定标→目标观测→热源定标。同时通过执行内部注入指令对系统工作状态加以控制，FPGA工作流程如图7所示。

3 数控系统仿真与调试
本文选用Mentor公司的Modelsim HDL仿真软件和Xilinx公司的Chipscope FPGA片上逻辑分析仪对系统软件和硬件进行了实际仿真，通过Xilinx ISE开发环境中生成的测试激励文件Testbench，可以无缝连接Modelsim仿真工具，测试结果满足系统要求。
图8为Modelsim仿真的冷源定标和AGC值存储部分波形图。

Modelsim仿真有2种激励输入方式，一种是传统的波形输入，另一种是通过编写代码，对输入产生预定的激励，这种方式能够产生更为复杂的激励，提供更高的功能覆盖率，并且可移植性更好，验证速度更快[5]。
本文设计了一个对整个FPGA模块进行测试的Testbench，模仿了A/D芯片采集的数据，可以验证定标过程中生成AGC调整值的准确性和存储器读写科学数据和定标数据的准确性。冷源定标过程中，程序首先为多路选择器提供地址信号addrch和addrte，依次对接收机10个通道进行数据采集。当冷源输出adout小于3.3 V，转换为步长即2A7E时， 程序将逐步减小AGC调整值，并通过D/A片选信号csa和csb送入D/A转换器，直到冷源输出高于2A7E时，将冷源定标输出和AGC调整值存入RAM中。结果表明，FPGA各模块工作正常，符合设计要求。
本文结合微波辐射计工程实现的要求，讨论了微波辐射计的数据处理与控制系统的原理，并采用现场可编程门阵列(FPGA)实现了该数控系统的硬件设计和FPGA模块设计，进行了部分模块的功能仿真和时序仿真，通过了系统调试仿真验证，达到了设备小型化的设计目的；同时，采用FPGA进行设计，提高了程序的可移植性，并通过了可靠性和稳定性的分析设计，从而能够有效保证系统稳定可靠地工作。
参考文献
[1] Jorgen Pihlflyckt.Control and measurement system for multi-channel microwave radiometer[C/OL].Russia：Helsinki University of technology，2007-02-12.http：//lib.tkk.fi/Dipl/2007/urn007760.pdf.
[2] 黄莹珠.基于FPGA技术的微波湿度计数据处理与控制单元的设计与仿真[D].北京：中国科学院研究生院，2007.
[3] 孙茂华，郑震藩，张升伟，等.风云三号卫星微波湿度计数据处理与系统控制的冗余设计方案[J].遥感技术与应用，2007(2).
[4] 段吉海，黄智伟.基于CPLD/FPGA的数字通信系统建模与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.
[5] 薛小刚，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD设计指南[M]. 北京：人民邮电出版社，2007.