CN101865994B

CN101865994B - 一种基于单片机的微波辐射计的扫描控制装置及控制方法

Info

Publication number: CN101865994B
Application number: CN200910082348A
Authority: CN
Inventors: 张瑜; 张升伟; 孙波; 李丹娜
Original assignee: National Space Science Center of CAS
Current assignee: National Space Science Center of CAS
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2029-04-14
Also published as: CN101865994A

Abstract

本发明提供一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置及其控制方法。该装置包括：控制电路部分、天线扫描驱动电路部分和数据采集电路部分，控制电路部分根据系统既定的时序或上位机系统注入的控制指令，控制数据采集电路完成天线不同扫描方位的数据采集；天线扫描驱动电路由总线驱动电路和电机驱动电路组成，电机驱动电路依据上位机注入控制指令，完成对天线扫描方位和速度的控制；数据采集电路由隔离驱动电路、多路选择器以及A/D转换器组成，依据控制电路发出的指令和天线转动速度，完成数据采集。本发明的控制装置对天线扫描速度和天线观测角度实时控制，并根据天线扫描速度确定数据采集电路的采样速率，两者结合灵活性更高，应用范围更广泛。

Description

一种基于单片机的微波辐射计的扫描控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种扫描控制装置，特别涉及一种用于微波辐射计的扫描控制装置及其控制方法。

背景技术

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、水汽含量、降雨量等空间气象资料，以及地质与资源调查、海洋环境与海况检测、灾害性天气预报与检测等，在大气探测及海洋观测中具有重要作用。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；对于微波辐射计的天线扫描控制装置就要求其具有速度可调、高分辨率、定位精度高、实时控制等特点。

现在多数微波辐射计上使用的通用天线扫描控制装置，采用周期性连续变速扫描方式，作为默认的观测工作模式，扫描周期恒定，对地张角范围恒定，连续采样数据点数恒定。扫描过程依次为匀速(热源定标)-加速-匀速-减速-匀速(冷源定标)-加速-减速-匀速(目标观测)-加速-匀速-减速-(热源定标)，整个扫描过程所用时间分配固定。这种扫描控制装置中，速度不可调节，方位角只有默认工作模式，因而适应能力较差。

目前还有一种改进的天线扫描控制装置是增加定点观测和匀速扫描两种扫描模式，定点观测模式可以进行对特定目标的连续观测，匀速扫描模式扫描速率同所述通用天线扫描控制装置中默认工作模式的扫描速率一致，不能更改，且没有将天线扫描速率控制脉冲接入数据采集电路控制端，从而不能保证天线扫描速率与数据采集速率两者同步。这种天线扫描控制装置改进了上述通用天线扫描控制装置的不足，适应性提高。但不能实现对天线转动方位和速度的实时控制，也没有将天线扫描速度与数据采集速率两者相结合，灵活性与适应性不高。

发明内容

为了解决上述两种通用的天线扫描控制装置存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置及其控制方法，与多通道数据采集电路和控制电路结合，适用于高分辨率、速度可调、方位角实时控制的微波辐射计扫描控制及数据采集系统。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置，包括：控制电路部分、天线扫描驱动电路部分和数据采集电路部分，所述控制电路部分根据系统既定的时序或上位机系统注入的控制指令，控制所述数据采集电路完成天线不同扫描方位的各种科学数据和温度数据的采集；所述天线扫描驱动电路由总线驱动电路和电机驱动电路组成，该电机驱动电路依据上位机注入控制指令，完成对天线扫描方位和速度的控制，分为默认工作模式和指定工作模式这两种工作模式；所述数据采集电路由隔离驱动电路、一个或多个多路选择器、以及一个A/D转换器组成，该数据采集电路依据所述控制电路所发出的指令和天线转动速度，完成微波辐射计科学数据和温度数据的采集。

另外，所述天线扫描驱动电路部分由总线驱动电路、电机驱动电路组成，总线驱动电路接收由所述控制电路产生的步进脉冲控制信号，为其提供足够大的输出电流后，将步进脉冲控制信号传送给电机驱动电路；电机驱动电路接收来自总线驱动电路的步进脉冲控制信号，向天线提供转速节拍脉冲和方向脉冲，并根据所述控制电路输出脉冲速率实时控制天线转速，同时在控制电路中设置计数值，即可实时定位天线观测角度。另外，将天线扫描驱动电路的节拍脉冲与所述数据采集电路中A/D转换器控制端相连，实现控制天线扫描速度的同时同步控制数据采集的采样速率。

另外，所述控制电路部分由微处理器、总线控制器、译码控制接口、程序存储器、数据存储器以及外围电路构成，其中，所述总线类型根据传输距离要求进行调整，采用RS232或RS485进行传输；所述程序存储器使用PROM或者E²PROM，其容量依据程序而定；所述数据存储器根据数据量的不同采用不同容量的SRAM。

另外，所述控制电路部分进一步还可以包括看门狗硬件，用于防止软件跑飞，在程序发生异常时控制电路尽快恢复工作。

另外，本发明的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的控制方法，包括如下步骤：

1)控制电路中的微控制器通过串行总线接收远程计算机指令包，根据注入指令确定天线扫描驱动电路以及数据采集电路部分的工作模式，采取默认工作模式或指定工作模式，并给出相应时序，控制天线扫描过程和A/D转换器进行科学数据和温度数据的采集；

2)当注入指令为默认工作模式时，读取指令包中的天线扫描速率，由微控制器产生时序同步控制天线进行周期性连续变速扫描和A/D转换器进行数据采集，天线步进角度为固定值1.8°；由数据采集电路采集的科学数据和温度数据通过控制电路中译码控制接口存入RAM，并在一个周期结束后通过总线下传到远程计算机；扫描装置运行过程中，控制电路中的微控制器可通过中断及时接收远程计算机指令包，并终止当前工作模式，下传当前RAM数据后，重新分析指令包内容，根据注入指令重新指定天线扫描驱动电路以及数据采集电路部分的工作模式，并进入新的运行周期；

3)当注入指令为指定工作模式时，读取指令包中的天线运行方向指令、步进角度指令和运行速度模式指令；将天线运行方向指令以控制电平形式送入天线扫描驱动电路控制天线顺时针或逆时针运行；天线步进角度指令包括2细分、4细分、8细分、16细分、32细分或64细分；运行速度模式指令包括匀速运行、变速运行、指定角度观测三者中任一种，并相应读取天线匀速扫描速率，天线扫描加速度或天线观测角度及固定角度观测时的数据采集速率；当运行速度模式为匀速运行或变速运行时，由微控制器产生时序同步控制天线扫描驱动电路和数据采集电路；当运行速度模式为固定角度观测时，微控制器根据注入指令对天线扫描驱动电路和数据采集分别给出不同时序，控制天线对指定目标进行观测以及A/D转换器对相应科学数据和温度数据进行采集；由数据采集电路采集的科学数据和温度数据通过控制电路中译码控制接口存入RAM，并在一个周期结束后通过总线下传到远程计算机；扫描装置运行过程中，控制电路中的微控制器可通过中断及时接收远程计算机指令包，并终止当前工作模式，下传当前RAM数据后，重新分析指令包内容，根据注入指令重新指定天线扫描驱动电路以及数据采集电路部分的工作模式，并进入新的运行周期。

本发明的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置及其控制方法的有益效果在于：适用于对天线扫描速度与天线观测角度实时控制的系统，并根据天线扫描速度确定数据采集电路的采样速率，两者完美结合。为了满足多方面的需求，对通用扫描控制装置进行了优化改进设计，使该微波辐射计扫描控制装置的灵活性更高，应用范围更加广泛。

附图说明

图1是本发明的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的组成框图。

图2是构成本发明的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的控制电路结构示意图。

图3是构成本发明的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的数据采集电路电路结构示意图。

图4是构成本发明的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的天线扫描驱动电路结构示意图。

图5是本发明的基于单片机的微波辐射计扫描控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置及其控制方法进行详细的说明。

图1是表示本发明的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的组成框图。如图1所示，本微波辐射计扫描控制装置主要由控制电路部分、天线扫描驱动电路部分和数据采集电路部分组成。其中，控制电路部分主要由微处理器系统和数据传输电路组成，主要功能是根据系统的既定时序或中断实时接收上位机指令，控制天线驱动控制电路实现对天线扫描速度和方位角的控制，以及控制数据采集电路完成各种科学数据和温度数据的采集；天线扫描驱动电路部分主要包括总线驱动电路和电机驱动电路两部分，依据上位机注入控制指令，实现对天线扫描速度和方位角的实时控制；数据采集电路由隔离驱动电路、一个或多个多路选择器、以及一个A/D转换器组成，该数据采集电路依据所述控制电路所发出的指令和天线转动速度，完成微波辐射计科学数据和温度数据的采集，适用于多通道的数据采集，A/D转换器控制端可以由天线扫描速度进行控制，保证天线扫描速度与数据采集速率的一致性。

图2是构成本发明的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的控制电路结构示意图。如图2所示，本发明的微波辐射计扫描控制装置的控制电路由微处理器、总线控制器、译码控制接口、程序存储器、数据存储器以及外围电路构成。本发明的总线控制类型根据传输距离要求进行调整，采用RS232或RS485进行传输；程序存储器使用PROM或者E²PROM，其容量依据程序而定；数据存储器根据数据量的不同采用不同容量的SRAM。同时增加了看门狗硬件，用于防止软件跑飞，在程序发生异常时控制电路尽快恢复工作。

此外，该控制电路部分的主要功能如下：

■为天线扫描驱动电路的扫描速度与方向提供节拍脉冲和方向脉冲，同时根据上位机注入指令实时控制天线扫描的速度与方位，由总线驱动电路输出。

■根据天线扫描速率，产生数据采集电路的时序，控制AD转换器完成科学数据和温度数据的采集。

■通过总线控制器接收上位机注入指令并执行，同时传回科学数据与温度数据。

图3是构成本发明的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的数据采集电路结构示意图。如图3所示，本发明的微波辐射计扫描控制装置的数据采集电路部分主要由多路选择器和A/D转换器组成，输入接口连接JFET输入的运算放大器进行隔离和驱动，控制端可由天线扫描速度进行控制。其中多路选择器的通道数量通过具体的数据采集技术指标确定。

图4是构成本发明的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的天线扫描驱动电路结构图。如图4所示，本发明的微波辐射计扫描控制装置的天线扫描驱动电路部分由总线驱动电路、电机驱动电路组成，总线驱动电路接收由所述控制电路产生的步进脉冲控制信号，为其提供足够大的输出电流后，将步进脉冲控制信号传送给电机驱动电路；电机驱动电路接收来自总线驱动电路的步进脉冲控制信号，向天线提供转速节拍脉冲和方向脉冲，并根据所述控制电路输出脉冲速率实时控制天线转速，同时在控制电路中设置计数值，即可实时定位天线观测角度。另外，将天线扫描驱动电路的节拍脉冲与所述数据采集电路中A/D转换器控制端相连，实现控制天线扫描速度的同时同步控制数据采集的采样速率，达到精确观测特定目标的目的。分为默认工作模式和指定工作模式两种。

本发明的微波辐射计扫描控制装置的天线扫描驱动电路中，采用默认工作模式时天线转动方式与通用天线扫描控制装置类似，采用周期性连续变速扫描方式，扫描周期恒定，对地张角范围恒定，连续采样数据点数恒定。扫描过程依次为匀速(热源定标)-加速-匀速-减速-匀速(冷源定标)-加速-减速-匀速(目标观测)-加速-匀速-减速-(热源定标)，整个扫描过程所用时间分配固定。另外，本发明的微波辐射计扫描控制装置的扫描速率可以通过微控制器进行设置，并且与数据采集电路中数据采集速率保持同步。

设计的关键不同点在于天线扫描的指定工作模式，指定工作模式可以通过中断处理程序实时注入控制指令，控制天线步进角度、运行方向、匀速运动或变速运动以及对指定观测角度进行定位。同时设置数据采集电路中A/D转换器的控制端，控制是否保持与天线扫描速度同步。

指定工作模式下，分别设置天线步进角度、运行方向以及三种运行速度模式选择，包括匀速运行、变速运行、指定角度观测。若选择匀速运行，则设置天线匀速扫描速度；若选择变速运行，则设置运行加速度；若选择指定角度观测，则设置天线观测角度以及数据采集速率。默认工作模式时，天线步进角度为固定值1.8°；在指定工作模式下，可选择天线步进角度为2细分、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分，例如当数据注入指令选择32细分时，天线步进角度为1.8°/32＝0.05625°，从而每转一圈运行步数为360°/0.05625°＝6400步。天线运行方向主要由电机驱动电路的指示电平来控制，高电平时控制天线进行顺时针扫描，低电平时控制天线进行逆时针扫描。当选择速度模式为匀速运行时，应指定天线扫描的运行速度，例如选择32细分，匀速运行速度为6400步/s，则通过微控制器向总线驱动器输出6400Hz的节拍脉冲，同时输出到A/D转换器的采样控制端，保证了天线扫描速率与数据采集速率的同步；当选择速度模式为变速运行时，应指定天线扫描的加速度，例如同样选择32细分，加速度为-200Hz，则天线开始从6400Hz开始进行减速运行，通过设置微处理器计数初值实现，另外，数据采集速率也将同步变化；当选择速度模式为指定角度观测时，应指定天线要观测的具体角度以及对应的数据采集速率，例如设置观测角度为75°，天线当前位置为21°，则通过计数设置天线逆时针运行角度为54°，即控制天线运行960步，在此观测模式下数据采集速率通过具体需要进行设置。控制简单易行，并且实时性和灵活性较好。

另外，图5是本发明的基于单片机的微波辐射计扫描控制方法的流程图。如图5所示，本发明的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的控制方法，包括如下步骤：

其中，本发明的控制方法中，当运行速度模式选择匀速运行时，则设置天线匀速扫描速度，保证上升沿持续时间大于10us，即天线匀速扫描速率小于100KHz；当运行速度模式选择变速运行时，则设置天线扫描运行加速度，加速度范围为-200Hz/s²～200Hz/s²；当运行速度模式选择指定角度观测时，则设置天线观测角度以及数据采集速率，其中天线观测角度范围为0°～360°，数据采集速率小于200KHz。

控制电路部分由微处理器、总线控制器、译码控制接口、程序存储器、数据存储器以及外围电路构成，其中，总线的类型根据传输距离要求进行调整，采用RS232或RS485进行传输；程序存储器使用PROM或者E²PROM，其容量依据程序而定；数据存储器根据数据量的不同采用不同容量的SRAM。

另外，控制电路部分进一步包括看门狗硬件，用于防止软件跑飞，在程序发生异常时控制电路尽快恢复工作。

综上所述，本发明的微波辐射计扫描控制装置综合了通用扫描控制装置和改进扫描控制装置的优点，在满足微波辐射计默认工作模式要求的同时，对指定工作模式进行了更加灵活的改进，同时通过对数据采集电路中A/D转换器的控制，实现了数据采集速率与天线扫描速率的同步变化，适合对不同目标不同速率要求的观测，是一种具有创新性的优化设计的微波辐射计扫描控制装置，满足了微波辐射计适应不同任务的要求。

Claims

1.一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置，其特征在于，包括：控制电路部分，天线扫描驱动电路部分和数据采集电路部分，

所述控制电路部分，根据系统既定的时序或上位机系统注入的控制指令，控制所述数据采集电路完成天线不同扫描方位的各种科学数据和温度数据的采集；

所述天线扫描驱动电路部分，由总线驱动电路、电机驱动电路组成，总线驱动电路接收由所述控制电路产生的步进脉冲控制信号，为其提供足够大的输出电流后，将步进脉冲控制信号传送给电机驱动电路；电机驱动电路接收来自总线驱动电路的步进脉冲控制信号，向天线提供转速节拍脉冲和方向脉冲，并根据所述控制电路输出脉冲速率实时控制天线转速，同时在控制电路中设置计数值，即可实时定位天线观测角度，另外，将该天线扫描驱动电路的节拍脉冲与所述数据采集电路中A/D转换器控制端相连，实现控制天线扫描速度的同时同步控制数据采集的采样速率；

所述数据采集电路，由隔离驱动电路、一个或多个多路选择器、以及一个A/D转换器组成，该数据采集电路依据所述控制电路所发出的指令和天线转动速度，完成微波辐射计科学数据和温度数据的采集。

2.如权利要求1所述的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置，其特征在于，所述天线扫描驱动电路分为默认工作模式和指定工作模式，

采用所述默认工作模式时，天线转动方式采用周期性连续变速扫描方式，扫描周期恒定，对地张角范围恒定，连续采样数据点数恒定，扫描速率通过微控制器进行设置，保持与数据采集电路同步；

采用所述指定工作模式时，通过控制电路中断处理程序实时注入控制指令，控制天线步进角度、运行方向、以及选择运行速度模式，同时设置数据采集电路中A/D转换器的控制端，控制是否保持与天线扫描速度同步，在该指定工作模式下，分别设置天线步进角度、运行方向以及运行速度模式选择。

3.如权利要求2所述的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置，其特征在于，所述指定工作模式下的运行速度模式的选择包括：匀速运行、变速运行以及指定角度观测，

当选择匀速运行时，则设置天线匀速扫描速度，保证上升沿持续时间大于10us，即天线匀速扫描速率小于100KHz；

当选择变速运行时，则设置天线扫描运行加速度，加速度范围为-200Hz/s²～200Hz/s²；

当选择指定角度观测时，则设置天线观测角度以及数据采集速率，其中天线观测角度范围为0°～360°，数据采集速率小于200KHz。

4.如权利要求2或3所述的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置，其特征在于，所述默认工作模式下，天线步进角度为固定值1.8°；所述指定工作模式下，进一步选择天线步进角度为2细分、4细分、8细分、16细分、32细分或64细分，天线每次的步进角度为固定值1.8°的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64。

5.如权利要求1所述的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置，其特征在于，所述控制电路部分由微处理器、总线控制器、译码控制接口、程序存储器、数据存储器以及外围电路构成，

其中，总线的类型根据传输距离要求进行调整，采用RS232或RS485进行传输；所述程序存储器使用PROM或者E²PROM，其容量依据程序而定；所述数据存储器根据数据量的不同采用不同容量的SRAM。

6.如权利要求5所述的一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置，其特征在于，所述控制电路部分进一步包括看门狗硬件，用于防止软件跑飞，在程序发生异常时控制电路尽快恢复工作。

7.一种基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的控制方法，其特征在于，是所述权利要求1～6中任意一项所述的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的控制方法，包括如下步骤：

3)当注入指令为指定工作模式时，读取指令包中的天线运行方向指令、步进角度指令和运行速度模式指令，

将天线运行方向指令以控制电平形式送入天线扫描驱动电路控制天线顺时针或逆时针运行；

天线步进角度指令包括2细分、4细分、8细分、16细分、32细分或64细分；

运行速度模式指令包括匀速运行、变速运行、指定角度观测三者中任一种，并相应读取天线匀速扫描速率，天线扫描加速度或天线观测角度及固定角度观测时的数据采集速率：

当运行速度模式为匀速运行或变速运行时，由微控制器产生时序同步控制天线扫描驱动电路和数据采集电路；

当运行速度模式为固定角度观测时，微控制器根据注入指令对天线扫描驱动电路和数据采集分别给出不同时序，控制天线对指定目标进行观测以及A/D转换器对相应科学数据和温度数据进行采集；

由数据采集电路采集的科学数据和温度数据通过控制电路中译码控制接口存入RAM，并在一个周期结束后通过总线下传到远程计算机；

扫描装置运行过程中，控制电路中的微控制器可通过中断及时接收远程计算机指令包，并终止当前工作模式，下传当前RAM数据后，重新分析指令包内容，根据注入指令重新指定天线扫描驱动电路以及数据采集电路部分的工作模式，并进入新的运行周期。

8.如权利要求7所述的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，

当所述运行速度模式选择匀速运行时，则设置天线匀速扫描速度，保证上升沿持续时间大于10us，即天线匀速扫描速率小于100KHz；

当所述运行速度模式选择变速运行时，则设置天线扫描运行加速度，加速度范围为-200Hz/s²～200Hz/s²；

当所述运行速度模式选择指定角度观测时，则设置天线观测角度以及数据采集速率，其中天线观测角度范围为0°～360°，数据采集速率小于200KHz。

9.如权利要求7所述的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制电路部分由微处理器、总线控制器、译码控制接口、程序存储器、数据存储器以及外围电路构成，其中，总线的类型根据传输距离要求进行调整，采用RS232或RS485进行传输；所述程序存储器使用PROM或者E²PROM，其容量依据程序而定；所述数据存储器根据数据量的不同采用不同容量的SRAM。

10.如权利要求9所述的基于单片机的微波辐射计扫描控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制电路部分进一步包括看门狗硬件，用于防止软件跑飞，在程序发生异常时控制电路尽快恢复工作。