專利名稱：一種多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種輻射計系統(tǒng)控制裝置，特別涉及一種基于FPGA開發(fā)板的用于多 通道微波輻射計的系統(tǒng)控制裝置及其控制方法。
背景技術：
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、水汽含量、降雨量等空間氣象資料，在全球性水文循環(huán)探測、地質與資源調查、海 洋環(huán)境與海況檢測、農林病蟲害檢測、災害性天氣預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，由于當今遙感儀器的設計 越來越趨于高功能密度及小型化，因此，對于多通道微波輻射計的系統(tǒng)控制裝置就要求其 具有高可靠性、高分辨率、實時性好、體積小、重量輕、功耗低、開發(fā)周期短、可移植性強等特 點ο目前國內多數(shù)微波輻射計上使用的系統(tǒng)控制裝置采用以80C31單片機器件為核 心進行設計，利用現(xiàn)成的微處理器開發(fā)系統(tǒng)，通過匯編語言進行設計和加載。采用這種方 法進行設計的優(yōu)點是技術成熟、開發(fā)風險較小，但缺點更為突出，由于受微處理器芯片和外 圍電路的限制，所占體積較大，需要多個電路板協(xié)調工作，并通過FIFO相互傳輸數(shù)據(jù)；另外 80C31單片機系統(tǒng)功耗較大，由于總功率有限，因此這也是一個很大的缺陷。目前另一種改進的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置是根據(jù)需求自制FPGA(現(xiàn)場 可編程門陣列Field-Programmable GateArray)電路板，進行FPGA及外圍電路設計，再進 行與數(shù)據(jù)采集板和其他控制板的對接。優(yōu)點是功耗降低、實現(xiàn)了設備的輕小型化，從而改進 了上述使用80C31單片機作為核心的系統(tǒng)控制裝置的不足；但這種設計明顯的缺陷是與遠 程計算機數(shù)據(jù)交換總線固定不可選擇，可移植性差，同時開發(fā)和調試周期較長，可擴展性和 適應性不高，且成本較高。

發(fā)明內容
為了解決上述兩種通用的微波輻射計系統(tǒng)控制裝置存在的問題，本發(fā)明的目的在 于提供一種基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置及控制方法，使用現(xiàn)有的 FPGA開發(fā)板與其他控制電路相結合來實現(xiàn)對多通道微波輻射計系統(tǒng)的控制，適用于低成 本、高可靠性、高分辨率、低功耗、重量輕、開發(fā)周期短、可移植性和可擴展性要求高的多通 道微波輻射計數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，使用現(xiàn)有 的FPGA開發(fā)板與其他控制電路相結合來實現(xiàn)對多通道微波輻射計系統(tǒng)的控制，包括FPGA 開發(fā)板部分，數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分，系統(tǒng)開關控制電路部分和電 平轉換電路部分。所述FPGA開發(fā)板部分，根據(jù)系統(tǒng)既定的時序或遠程計算機注入的控制指令，通過 電平轉換電路部分的轉換處理后，控制所述數(shù)據(jù)采集電路部分完成科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的
5采集，并控制所述AGC自動增益控制電路部分為多通道微波輻射計冷源和熱源的定標提供 AGC調整值，還控制所述系統(tǒng)開關控制電路部分完成整個系統(tǒng)、接收機和噪聲源的開關機功 能，同時完成科學數(shù)據(jù)包到遠程計算機的回傳。這里，該FPGA開發(fā)板部分控制其他控制電路部分時所采用的工作模式包括默認 工作模式、熱源工作模式、冷源工作模式和固定角度工作模式。采用所述默認工作模式時， 工作周期為60秒，分為冷、熱源定標和目標觀測兩部分，由所述系統(tǒng)開關控制電路部分控 制實現(xiàn)，當該系統(tǒng)開關控制電路部分的整個系統(tǒng)開關機電路接通時，若接收機開關為TTL 低電平，并且噪聲源開關為高電平時，實現(xiàn)熱源定標；當接收機開關為TTL低電平，并且噪 聲源開關為低電平時，實現(xiàn)冷源定標；當接收機開關為TTL高電平，并且噪聲源開關為低電 平時，實現(xiàn)目標觀測；同時，定標過程中根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接 收到的輻射計冷源和熱源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控制電路提供有效的 AGC調整值，直到所述FPGA開發(fā)板部分判斷定標值符合技術要求時，定標過程結束，進入目 標觀測狀態(tài)，由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10路科學數(shù)據(jù)和25路溫 度數(shù)據(jù)的采集；一個周期結束后，由FPGA開發(fā)板將采集數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)打包并傳回遠 程計算機；采用所述熱源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開關持續(xù) 為高電平，一直觀測熱源，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令；采用所述冷源工作模式時，接收 機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開關持續(xù)為低電平，一直觀測冷源，直到系統(tǒng)接收到 新的注入指令；采用所述固定角度工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL高電平，并且噪聲源 開關持續(xù)為低電平，一直觀測固定目標，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令。所述數(shù)據(jù)采集電路部分，由隔離驅動電路、一個或多個多路選擇器、以及一個A/D 轉換器組成，該數(shù)據(jù)采集電路依據(jù)所述FPGA開發(fā)板部分發(fā)出的控制指令，完成對多通道微 波輻射計科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集。所述AGC自動增益控制電路部分，由多個DA轉換器、隔離驅動電路組成，所述FPGA 開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接收到的輻射計冷源和熱源的定標值進行判斷后，為該 AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調整值，通過D/A轉換器及隔離驅動電路后提供給多 通道微波輻射計的接收機部分。所述系統(tǒng)開關控制電路部分，由整個系統(tǒng)開關機控制電路、接收機開關控制電路、 以及噪聲源開關控制電路組成，該系統(tǒng)開關控制電路依據(jù)所述FPGA開發(fā)板部分發(fā)出的控 制指令，控制所述系統(tǒng)開關控制電路部分完成整個系統(tǒng)、接收機和噪聲源的開關機功能。所述電平轉換電路部分，負責完成由FPGA開發(fā)板輸出的LVTTL電平和IC器件 CMOS電平的轉換，實現(xiàn)所述FPGA開發(fā)板與所述其他控制電路的連接。另外，所述FPGA開發(fā)板部分，可以采用Xilinx公司Virtex-4系列、Virtex-5系 列的FPGA開發(fā)板，也可以采用Altera公司的Cyclone系列、Cyclone II系列等具有相似 功能的FPGA開發(fā)板，編程所使用的硬件描述語言VHDL可以方便的移植到不同型號的FPGA 開發(fā)板上，這里以Xilinx公司Virtex-4系列FPGA開發(fā)板為例進行說明，由FPGA控制芯 片、100MHz時鐘源、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、Flash閃存、16位IXD顯示器、64位輸入輸出 接口、電源控制電路、總線控制電路及外圍控制電路構成。其中，所述總線的類型根據(jù)傳輸 距離要求進行調整，可采用串行接口、USB接口和以太網接口進行傳輸；所述程序存儲器使 用E2PR0M ；所述數(shù)據(jù)存儲器根據(jù)數(shù)據(jù)量的不同采用不同容量的SDRAM。
另外，所述數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分，系統(tǒng)開關控制電路部 分和電平轉換電路部分在一塊電路板上完成，最后實現(xiàn)與FPGA開發(fā)板的連接，完成整體功 能。另外，所述數(shù)據(jù)采集電路部分采集的信號包括微波輻射計多個通道的遙感信 號和相關多路溫度信號，通過多路選擇器選擇后送入A/D轉換器，其中多路選擇器地址由 FGPA開發(fā)板部分I/O接口提供。另外，所述AGC自動增益控制電路部分，多個D/A轉換器輸入的數(shù)字信號分別相 連，并與FPGA開發(fā)板I/O接口相連，通過所述FPGA開發(fā)板對D/A轉換器片選信號和讀寫信 號的控制，實現(xiàn)對不同通道AGC調整值的寫入。另外，所述系統(tǒng)開關控制電路部分中，所述整個系統(tǒng)開關機控制電路通過繼電器 控制+12V和+5V電源通斷；所述接收機開關控制電路通過所述FPGA開發(fā)板控制所述電平 轉換電路實現(xiàn)TTL電平通斷；所述噪聲源開關控制電路采用兩個三極管相連控制+15V電源 通斷。另外，本發(fā)明還提供一種多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的控制方法，是上述基 于FPGA開發(fā)板的用于多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的控制方法，包括如下步驟1)FPGA開發(fā)板部分通過串行總線接收遠程計算機指令包，根據(jù)注入指令確定系統(tǒng) 工作模式，同時為數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分、系統(tǒng)開關控制電路部分 提供相應時序，向系統(tǒng)發(fā)出控制指令，控制微波輻射計多個通道進行科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù) 的采集，并負責將采集的科學數(shù)據(jù)包下傳到遠程計算機；2)當注入指令為默認工作模式時，工作周期為60秒，分為冷熱源定標和目標觀測 兩部分，由所述系統(tǒng)開關控制電路部分控制實現(xiàn)，當整個系統(tǒng)開關機電路接通時，若接收機 開關為TTL低電平，并且噪聲源開關為高電平(+15V)時，實現(xiàn)熱源定標；當接收機開關為 TTL低電平，并且噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)冷源定標；當接收機開關為TTL高電平，并且 噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)目標觀測；同時，定標過程中根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù) 據(jù)采集電路部分接收到的輻射計冷源和熱源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控 制電路提供有效的AGC調整值，直到所述FPGA開發(fā)板部分判斷定標值符合技術要求時，定 標過程結束，進入目標觀測狀態(tài)，由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10路 科學數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣速率最高為200K ；—個周期結束后，由FPGA開發(fā)板 將采集數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)打包并傳回遠程計算機。系統(tǒng)運行過程中，F(xiàn)PGA開發(fā)板部分通 過中斷及時接收遠程計算機注入指令包，所在周期運行結束后，將該周期數(shù)據(jù)下傳，同時終 止當前工作模式，重新分析注入指令包內容，根據(jù)注入指令重新確定系統(tǒng)工作模式，并進入 新的運行周期；3)當注入指令為熱源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開 關持續(xù)為高電平(+15V)，一直觀測熱源，同時，根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路 部分接收到的輻射計熱源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控制電路提供有效的 AGC調整值，調整熱源定標值輸出；由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10 路定標數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣速率最高為200K ；每隔60秒將采集的數(shù)據(jù)傳回 遠程計算機，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令；4)當注入指令為冷源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開關持續(xù)為低電平，一直觀測冷源，同時，根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接 收到的輻射計冷源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調 整值，調整冷源定標值輸出；由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10路定標 數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣速率最高為200K ；每隔60秒將采集的數(shù)據(jù)傳回遠程計 算機，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令；5)當注入指令為固定角度觀測時，接收機開關持續(xù)為TTL高電平，并且噪聲源開 關持續(xù)為低電平，一直觀測固定目標，由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行 10路科學數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣速率最高為200K ；每隔60秒將采集的數(shù)據(jù)傳 回遠程計算機，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令。本發(fā)明的一種基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置及控制方法的 有益效果在于適用于低成本、高可靠性、高分辨率、低功耗、重量輕、開發(fā)周期短、可移植性 和可擴展性要求高的多通道微波輻射計數(shù)據(jù)管理與控制系統(tǒng)。為了滿足多方面的需求，對 通用的兩種微波輻射計系統(tǒng)控制裝置進行了優(yōu)化改進設計，既沒有采用高功耗、體積大的 單片機系統(tǒng)；也沒有采用可擴展性差、開發(fā)周期長、成本高的自行FPGA設計。本發(fā)明所采取 的使用現(xiàn)有的FPGA開發(fā)板與其他控制電路相結合的控制方法，使多通道微波輻射計系統(tǒng) 控制裝置的成本降低、開發(fā)周期縮短、且靈活性和可擴展性更好，應用范圍更加廣泛。


圖1是本發(fā)明的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的組成框圖。圖2是構成本發(fā)明的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的FPGA 開發(fā)板的結構示意圖。圖3是構成本發(fā)明的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的數(shù)據(jù) 采集電路的結構示意圖。圖4是構成本發(fā)明的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的AGC 自動增益控制電路的結構示意圖。圖5是構成本發(fā)明的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的系統(tǒng) 開關控制電路的結構示意圖。圖6是構成本發(fā)明的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的電平 轉換電路的結構示意圖。圖7是本發(fā)明的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方案對本發(fā)明的一種基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻 射計系統(tǒng)控制裝置及其控制方法進行詳細的說明。圖1是表示本發(fā)明的一種基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的 組成框圖。如圖1所示，本發(fā)明的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，使用現(xiàn)有的FPGA開發(fā)板 與其他控制電路相結合來實現(xiàn)對多通道微波輻射計系統(tǒng)的控制，主要由FPGA開發(fā)板部分， 數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分，系統(tǒng)開關控制電路部分和電平轉換電路部 分組成。其中，數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分，系統(tǒng)開關控制電路部分和電
8平轉換電路部分可在一塊電路板上完成，最后實現(xiàn)與FPGA開發(fā)板的連接，完成整體功能。另外，F(xiàn)PGA開發(fā)板部分主要由FPGA控制芯片、時鐘源、存儲器、IXD顯示器、總線控 制器及外圍電路等組成，主要功能是根據(jù)系統(tǒng)既定的時序或遠程計算機注入的控制指令， 通過電平轉換電路部分轉換處理后，控制所述數(shù)據(jù)采集電路部分完成科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù) 的采集，并控制所述AGC自動增益控制電路部分為多通道微波輻射計冷源和熱源的定標提 供AGC調整值，還控制所述系統(tǒng)開關控制電路部分完成整個系統(tǒng)、接收機和噪聲源的開關 機功能，同時完成科學數(shù)據(jù)包到遠程計算機的回傳。數(shù)據(jù)采集電路部分主要由隔離驅動電路、一個或多個多路選擇器、以及一個A/D 轉換器組成，其主要功能是依據(jù)所述FPGA開發(fā)板部分發(fā)出的控制指令，完成對多通道微波 輻射計科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集，本數(shù)據(jù)采集電路中A/D轉換器可以根據(jù)具體設計要求 選擇不同的輸入電壓范圍、量化精度和轉換速率。AGC自動增益控制電路部分主要由多個DA轉換器、隔離驅動電路組成，其主要功 能是依據(jù)數(shù)據(jù)采集電路部分接收到的輻射計冷源和熱源的定標值，由所述FPGA開發(fā)板進 行判斷后，為該AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調整值，通過D/A轉換器及隔離驅動 電路后提供給多通道微波輻射計的接收機部分。系統(tǒng)開關控制電路部分主要由整個系統(tǒng)開關機控制電路、接收機開關控制電路、 以及噪聲源開關控制電路組成，其主要功能是依據(jù)所述FPGA開發(fā)板部分發(fā)出的控制指令， 控制該系統(tǒng)開關控制電路部分完成整個系統(tǒng)、接收機和噪聲源的開關機功能。電平轉換電路部分主要功能是完成由FPGA開發(fā)板LVTTL電平和IC器件CMOS電 平的轉換，實現(xiàn)所述FPGA開發(fā)板與所述其他控制電路的連接。圖2是構成本發(fā)明的一種基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的 FPGA開發(fā)板結構示意圖。如圖2所示，本發(fā)明的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的FPGA開 發(fā)板部分可以采用Xilinx公司Virtex-4系列、Virtex-5系列的FPGA開發(fā)板，也可以采用 Altera公司的Cyclone系列、Cyclone II系列等具有相似功能的FPGA開發(fā)板，編程所使用 的硬件描述語言VHDL可以方便的移植到不同型號的FPGA開發(fā)板上。這里以Xilinx公司Virtex-4系列FPGA開發(fā)板為例進行說明，該FPGA開發(fā)板部 分由FPGA控制芯片、100MHz時鐘源、數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、程序存儲器PR0M、Flash閃存、16位 LCD顯示器、總線控制器及外圍電路構成。本發(fā)明的總線類型根據(jù)傳輸距離要求進行調整， 可采用串行接口、USB接口和以太網接口進行傳輸；所述程序存儲器使用E2PR0M ；所述數(shù)據(jù) 存儲器根據(jù)數(shù)據(jù)量的不同采用不同容量的SDRAM。所述FPGA開發(fā)板功能較為完備，具有多 種總線接口，通過編程可以選擇多種與遠程計算機的數(shù)據(jù)傳輸方式，可擴展性和適應性較 好；同時16位LCD顯示器方便系統(tǒng)調試，縮短了研發(fā)周期，降低了成本，且可靠性更高，與自 行設計的FPGA電路板相比優(yōu)勢更為突出。此外，該FPGA開發(fā)板的主要功能如下■根據(jù)系統(tǒng)既定的時序或遠程計算機注入的控制指令，經過電平轉換后，為數(shù)據(jù) 采集電路提供相應的時序，控制所述數(shù)據(jù)采集電路部分完成科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集， 同時接收由數(shù)據(jù)采集電路采集的數(shù)字信號并存儲到RAM中?！鲈诙诉^程中，根據(jù)根據(jù)系統(tǒng)既定的時序或遠程計算機注入的控制指令，判斷 數(shù)據(jù)采集電路采集的定標值，根據(jù)定標值為多通道微波輻射計冷源和熱源的定標提供AGC調整值，通過AGC自動增益控制電路后輸出到接收機。■根據(jù)系統(tǒng)既定的時序或遠程計算機注入的控制指令，為系統(tǒng)開關控制電路提供 不同的控制電平，控制系統(tǒng)開關控制電路部分完成整個系統(tǒng)、接收機和噪聲源的開關機功 能?！鐾ㄟ^該FPGA開發(fā)板中的總線控制電路接收遠程計算機注入的指令包并執(zhí)行， 同時將采集數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)打包并傳回遠程計算機。此外，該FPGA開發(fā)板部分控制其他所述控制電路部分共分為四種工作模式默認 工作模式、熱源工作模式、熱源工作模式和固定角度工作模式。采用所述默認工作模式時，工作周期為60秒，分為冷熱源定標和目標觀測兩部 分，由所述系統(tǒng)開關控制電路部分控制實現(xiàn)，當該系統(tǒng)開關控制電路部分的整個系統(tǒng)開關 機電路接通時，若接收機開關為TTL低電平，并且噪聲源開關為高電平(+15V)時，實現(xiàn)熱 源定標；當接收機開關為TTL低電平，并且噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)冷源定標；當接收 機開關為TTL高電平，并且噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)目標觀測；同時，定標過程中根據(jù) 所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接收到的輻射計冷源和熱源的定標值進行判斷 后，為所述AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調整值，直到所述FPGA開發(fā)板部分判斷 定標值符合技術要求時，定標過程結束，進入目標觀測狀態(tài)，由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波 輻射計多個通道進行10路科學數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣速率為200K ；—個周期 結束后，由FPGA開發(fā)板將采集數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)打包并傳回遠程計算機。采用所述熱源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開關持續(xù) 為高電平(+15V)，一直觀測熱源，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令。采用所述冷源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開關持續(xù) 為低電平，一直觀測冷源，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令。采用所述固定角度工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL高電平，并且噪聲源開關 持續(xù)為低電平，一直觀測固定目標，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令。圖3是構成本發(fā)明的一種基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的 數(shù)據(jù)采集電路的結構示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的數(shù) 據(jù)采集電路部分主要由隔離驅動電路、一個或多個多路選擇器、以及一個A/D轉換器組成。 其中，隔離驅動電路采用JFET輸入的運算放大器進行隔離和驅動，多路選擇器的通道數(shù)量 通過具體的數(shù)據(jù)采集技術指標確定，其地址信號由所述FPGA開發(fā)板I/O接口提供，經電平 轉換后送入多路選擇器。該數(shù)據(jù)采集電路依據(jù)所述FPGA開發(fā)板部分發(fā)出的控制指令，完成 對微波輻射計多個通道的遙感信號和相關多路溫度信號的采集，實際采樣率可根據(jù)具體技 術指標進行設計，采樣速率最大為200K，經過多路選擇器選擇后送入A/D轉換器。圖4是構成本發(fā)明的一種基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的 AGC自動增益控制電路的結構示意圖。如圖4所示，本發(fā)明的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝 置的AGC自動增益控制電路部分主要由多個DA轉換器、隔離驅動電路組成。其中，多個D/ A轉換器輸入的數(shù)字信號分別相連，并與FPGA開發(fā)板I/O接口相連，通過所述FPGA開發(fā)板 對D/A轉換器片選信號和讀寫信號的控制，實現(xiàn)對不同通道AGC調整值的寫入，經過D/A轉 換器及隔離驅動電路后提供給多通道微波輻射計的接收機部分。圖5是構成本發(fā)明的一種基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的系統(tǒng)開關控制電路的結構示意圖。如圖5所示，本發(fā)明的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置 的系統(tǒng)開關控制電路部分主要由整個系統(tǒng)開關機控制電路、接收機開關控制電路、以及噪 聲源開關控制電路組成。其中，整個系統(tǒng)開關機控制電路通過繼電器控制+12V和+5V電源 通斷；接收機開關控制電路通過所述FPGA開發(fā)板控制所述電平轉換電路實現(xiàn)TTL電平通 斷；噪聲源開關控制電路采用兩個三極管相連控制+15V電源通斷，取代了以往通用微波輻 射計上使用的微波開關，克服了微波開關每次通斷損耗都不重復的缺點，性能更好。圖6是構成本發(fā)明的一種基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的 電平轉換電路的結構示意圖。如圖6所示，本發(fā)明的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的電 平轉換電路部分采用雙向LVTTL與CMOS電平轉換芯片，完成FPGA開發(fā)板LVTTL電平與IC 器件CMOS電平之間的轉換，實現(xiàn)了所述FPGA開發(fā)板與所述其他控制電路的連接。另外，圖7是本發(fā)明的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的控制 方法的流程圖，如圖7所示，本發(fā)明的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置 的控制方法，包括如下步驟1)FPGA開發(fā)板部分通過串行總線接收遠程計算機指令包，根據(jù)注入指令確定系統(tǒng) 工作模式，同時為數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分、系統(tǒng)開關控制電路部分 提供相應時序，向系統(tǒng)發(fā)出控制指令，控制微波輻射計多個通道進行科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù) 的采集，并負責將采集的科學數(shù)據(jù)包下傳到遠程計算機；2)當注入指令為默認工作模式時，工作周期為60秒，分為冷熱源定標和目標觀測 兩部分，由所述系統(tǒng)開關控制電路部分控制實現(xiàn)，當整個系統(tǒng)開關機電路接通時，若接收機 開關為TTL低電平，并且噪聲源開關為高電平(+15V)時，實現(xiàn)熱源定標；當接收機開關為 TTL低電平，并且噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)冷源定標；當接收機開關為TTL高電平，并且 噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)目標觀測；同時，定標過程中根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù) 據(jù)采集電路部分接收到的輻射計冷源和熱源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控 制電路提供有效的AGC調整值，直到所述FPGA開發(fā)板部分判斷定標值符合技術要求時，定 標過程結束，進入目標觀測狀態(tài)，由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10路 科學數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣速率為200K ；—個周期結束后，由FPGA開發(fā)板將采 集數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)打包并傳回遠程計算機。系統(tǒng)運行過程中，F(xiàn)PGA開發(fā)板部分通過中 斷及時接收遠程計算機注入指令包，所在周期運行結束后，將該周期數(shù)據(jù)下傳，同時終止當 前工作模式，重新分析注入指令包內容，根據(jù)注入指令重新確定系統(tǒng)工作模式，并進入新的 運行周期；3)當注入指令為熱源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開 關持續(xù)為高電平(+15V)，一直觀測熱源，同時，根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路 部分接收到的輻射計熱源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控制電路提供有效的 AGC調整值，調整熱源定標值輸出；由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10 路定標數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣速率為200K ；每隔60秒將采集的數(shù)據(jù)傳回遠程 計算機，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令；4)當注入指令為冷源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開 關持續(xù)為低電平，一直觀測冷源，同時，根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接 收到的輻射計冷源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調
11整值，調整冷源定標值輸出；由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10路定標 數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣速率為200K ；每隔60秒將采集的數(shù)據(jù)傳回遠程計算機， 直到系統(tǒng)接收到新的注入指令；5)當注入指令為固定角度觀測時，接收機開關持續(xù)為TTL高電平，并且噪聲源開 關持續(xù)為低電平，一直觀測固定目標，由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行 10路科學數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集，采樣速率為200K ；每隔60秒將采集的數(shù)據(jù)傳回遠 程計算機，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令。綜上所述，本發(fā)明的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置不僅克服了以往微波輻射計 以80C31單片機為核心進行設計時體積大、功耗大的缺點，也彌補了自制FPGA電路板數(shù)據(jù) 交換接口固定、可擴展性差、開發(fā)調試周期長、成本高等缺陷。本發(fā)明可通過一塊控制電路 板與FPGA開發(fā)板相連，即可靈活實現(xiàn)輻射計各種控制功能，極大的縮短了研發(fā)周期，且可 以根據(jù)不同任務類型，改變數(shù)據(jù)采集通道數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸方式等，具有很好的可擴展性和可 移植性，是一種具有創(chuàng)新性的優(yōu)化設計的微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，滿足了微波輻射計適 應不同任務的要求。
權利要求
一種多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，其特征在于，使用現(xiàn)有的FPGA開發(fā)板與其他控制電路相結合來實現(xiàn)對多通道微波輻射計系統(tǒng)的控制，包括FPGA開發(fā)板部分，數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分，系統(tǒng)開關控制電路部分和電平轉換電路部分，所述FPGA開發(fā)板部分，根據(jù)系統(tǒng)既定的時序或遠程計算機注入的控制指令，通過電平轉換電路部分轉換處理后，控制所述數(shù)據(jù)采集電路部分完成科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集，并控制所述AGC自動增益控制電路部分為多通道微波輻射計冷源和熱源的定標提供AGC調整值，另外，還控制所述系統(tǒng)開關控制電路部分完成整個系統(tǒng)、接收機和噪聲源的開關機功能，同時完成科學數(shù)據(jù)包到遠程計算機的回傳；所述數(shù)據(jù)采集電路部分，由隔離驅動電路、一個或多個多路選擇器、以及一個A/D轉換器組成，該數(shù)據(jù)采集電路依據(jù)所述FPGA開發(fā)板部分發(fā)出的控制指令，完成對多通道微波輻射計科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集；所述AGC自動增益控制電路部分，由多個DA轉換器、隔離驅動電路組成，所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接收到的輻射計冷源和熱源的定標值進行判斷后，為該AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調整值，通過D/A轉換器及隔離驅動電路后提供給多通道微波輻射計的接收機部分；所述系統(tǒng)開關控制電路部分，由整個系統(tǒng)開關機控制電路、接收機開關控制電路以及噪聲源開關控制電路組成，該系統(tǒng)開關控制電路依據(jù)所述FPGA開發(fā)板部分發(fā)出的控制指令，控制所述系統(tǒng)開關控制電路部分完成整個系統(tǒng)、接收機和噪聲源的開關機功能；所述電平轉換電路部分，負責完成由FPGA開發(fā)板輸出的LVTTL電平和IC器件CMOS電平的轉換，實現(xiàn)所述FPGA開發(fā)板與所述其他控制電路的連接。
2.如權利要求1所述的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，其特征在于，所述FPGA開發(fā) 板部分控制其他控制電路部分時所采用的工作模式包括默認工作模式、熱源工作模式、冷 源工作模式和固定角度工作模式，采用所述默認工作模式時，工作周期為60秒，分為冷、熱源定標和目標觀測兩部分，由 所述系統(tǒng)開關控制電路部分控制實現(xiàn)，當該系統(tǒng)開關控制電路部分的整個系統(tǒng)開關機電路 接通時，若接收機開關為TTL低電平，并且噪聲源開關為高電平時，實現(xiàn)熱源定標；當接收 機開關為TTL低電平，并且噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)冷源定標；當接收機開關為TTL高 電平，并且噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)目標觀測；同時，定標過程中根據(jù)所述FPGA開發(fā)板 對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接收到的輻射計冷源和熱源的定標值進行判斷后，為所述AGC自 動增益控制電路提供有效的AGC調整值，直到所述FPGA開發(fā)板部分判斷定標值符合技術要 求時，定標過程結束，進入目標觀測狀態(tài)，由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進 行10路科學數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集；一個周期結束后，由FPGA開發(fā)板將采集數(shù)據(jù)和 運行狀態(tài)數(shù)據(jù)打包并傳回遠程計算機；采用所述熱源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開關持續(xù)為高 電平，一直觀測熱源，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令；采用所述冷源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開關持續(xù)為低 電平，一直觀測冷源，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令；采用所述固定角度工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL高電平，并且噪聲源開關持續(xù) 為低電平，一直觀測固定目標，直到系統(tǒng)接收到新的注入指令。
3.如權利要求1所述的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，其特征在于，所述FPGA開發(fā) 板部分采用Xilinx公司Virtex-4系列、Virtex-5系列的FPGA開發(fā)板，或者采用Altera公 司的Cyclone系列、Cyclone II系列的FPGA開發(fā)板，當采用Xilinx公司Virtex-4系列FPGA開發(fā)板時，其由FPGA控制芯片、IOOMHz時鐘 源、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、Flash閃存、16位LCD顯示器、64位輸入輸出接口、電源控制 電路、總線控制電路及外圍控制電路構成，其中，所述總線的類型根據(jù)傳輸距離要求進行調整，采用串行接口、USB接口或者以太 網接口進行傳輸；所述程序存儲器使用E2PROM ；所述數(shù)據(jù)存儲器根據(jù)數(shù)據(jù)量的不同采用不 同容量的SDRAM。
4.如權利要求1所述的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集 電路部分、AGC自動增益控制電路部分，系統(tǒng)開關控制電路部分和電平轉換電路部分在一塊 電路板上完成，最后實現(xiàn)與FPGA開發(fā)板的連接，完成整體功能。
5.如權利要求1或4所述的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù) 采集電路部分采集的信號包括微波輻射計多個通道的遙感信號和相關多路溫度信號，通 過多路選擇器選擇后送入A/D轉換器，其中多路選擇器地址由FGPA開發(fā)板部分I/O接口提 {共。
6.如權利要求1或4所述的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，其特征在于，所述AGC自 動增益控制電路部分，多個D/A轉換器輸入的數(shù)字信號分別相連，并與FPGA開發(fā)板I/O接 口相連，通過所述FPGA開發(fā)板對D/A轉換器片選信號和讀寫信號的控制，實現(xiàn)對不同通道 AGC調整值的寫入。
7.如權利要求1或4所述的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)開 關控制電路部分中，所述整個系統(tǒng)開關機控制電路通過繼電器控制+12V和+5V電源通斷； 所述接收機開關控制電路通過所述FPGA開發(fā)板控制所述電平轉換電路實現(xiàn)TTL電平通斷； 所述噪聲源開關控制電路采用兩個三極管相連控制+15V電源通斷。
8.—種多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的控制方法，其特征在于，是所述權利要求 1 7中任意一項所述的基于FPGA開發(fā)板的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的控制方法， 包括如下步驟1)FPGA開發(fā)板部分通過串行總線接收遠程計算機指令包，根據(jù)注入指令確定系統(tǒng)工作 模式，同時為數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分、系統(tǒng)開關控制電路部分提供 相應時序，向系統(tǒng)發(fā)出控制指令，控制微波輻射計多個通道進行科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采 集，并負責將采集的科學數(shù)據(jù)包下傳到遠程計算機；2)當注入指令為默認工作模式時，工作周期為60秒，分為冷、熱源定標和目標觀測兩 部分，由所述系統(tǒng)開關控制電路部分控制實現(xiàn)，當該系統(tǒng)開關控制電路部分的整個系統(tǒng)開 關機電路接通時，若接收機開關為TTL低電平，并且噪聲源開關為高電平時，實現(xiàn)熱源定 標；當接收機開關為TTL低電平，并且噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)冷源定標；當接收機開 關為TTL高電平，并且噪聲源開關為低電平時，實現(xiàn)目標觀測；同時，定標過程中根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接收到的輻射計冷 源和熱源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調整值，直到所述FPGA開發(fā)板部分判斷定標值符合技術要求時，定標過程結束，進入目標觀測狀態(tài)，由 數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10路科學數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集；一個周期結束后，由FPGA開發(fā)板將采集數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)打包并傳回遠程計算機， 系統(tǒng)運行過程中，F(xiàn)PGA開發(fā)板部分通過中斷及時接收遠程計算機注入指令包，所在周期運 行結束后，將該周期數(shù)據(jù)下傳，同時終止當前工作模式，重新分析注入指令包內容，根據(jù)注 入指令重新確定系統(tǒng)工作模式，并進入新的運行周期；3)當注入指令為熱源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開關持 續(xù)為高電平，一直觀測熱源，同時，根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接收到 的輻射計熱源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調整值， 調整熱源定標值輸出；由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10路定標數(shù)據(jù) 和25路溫度數(shù)據(jù)的采集；每隔60秒將采集的數(shù)據(jù)傳回遠程計算機，直到系統(tǒng)接收到新的注 入指令；4)當注入指令為冷源工作模式時，接收機開關持續(xù)為TTL低電平，并且噪聲源開關持 續(xù)為低電平，一直觀測冷源，同時，根據(jù)所述FPGA開發(fā)板對所述數(shù)據(jù)采集電路部分接收到 的輻射計冷源的定標值進行判斷后，為所述AGC自動增益控制電路提供有效的AGC調整值， 調整冷源定標值輸出；由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10路定標數(shù)據(jù) 和25路溫度數(shù)據(jù)的采集；每隔60秒將采集的數(shù)據(jù)傳回遠程計算機，直到系統(tǒng)接收到新的注 入指令；5)當注入指令為固定角度觀測時，接收機開關持續(xù)為TTL高電平，并且噪聲源開關持 續(xù)為低電平，一直觀測固定目標，由數(shù)據(jù)采集電路部分控制微波輻射計多個通道進行10路 科學數(shù)據(jù)和25路溫度數(shù)據(jù)的采集；每隔60秒將采集的數(shù)據(jù)傳回遠程計算機，直到系統(tǒng)接收 到新的注入指令。
9.如權利要求8所述的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的控制方法，其特征在于，所 述FPGA開發(fā)板部分采用Xilinx公司Virtex-4系列、Virtex-5系列的FPGA開發(fā)板，或者 采用Altera公司的Cyclone系列、Cyclone II系列的FPGA開發(fā)板，當采用Xilinx公司Virtex-4系列FPGA開發(fā)板時，其由FPGA控制芯片、IOOMHz時鐘 源、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、Flash閃存、16位LCD顯示器、64位輸入輸出接口、電源控制 電路、總線控制電路及外圍控制電路構成，其中，所述總線的類型根據(jù)傳輸距離要求進行調整，采用串行接口、USB接口或者以太 網接口進行傳輸；所述程序存儲器使用E2PROM ；所述數(shù)據(jù)存儲器根據(jù)數(shù)據(jù)量的不同采用不 同容量的SDRAM。
10.如權利要求8所述的多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的控制方法，其特征在于，所 述數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分，系統(tǒng)開關控制電路部分和電平轉換電路 部分在一塊電路板上完成，最后實現(xiàn)與FPGA開發(fā)板的連接，完成整體功能。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置及控制方法。該控制裝置包括FPGA開發(fā)板部分，數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分，系統(tǒng)開關控制電路部分和電平轉換電路部分。FPGA開發(fā)板部分通過串行總線接收遠程計算機指令包，根據(jù)注入指令確定系統(tǒng)工作模式，同時為數(shù)據(jù)采集電路部分、AGC自動增益控制電路部分、系統(tǒng)開關控制電路部分提供相應時序，向系統(tǒng)發(fā)出控制指令，控制微波輻射計多個通道進行科學數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的采集，并負責將采集的科學數(shù)據(jù)包下傳到遠程計算機。本發(fā)明采取現(xiàn)有FPGA開發(fā)板與其他控制電路相結合的控制方法，使多通道微波輻射計系統(tǒng)控制裝置的成本降低、開發(fā)周期縮短、且靈活性和可擴展性更好，應用范圍更加廣泛。
文檔編號G01R29/08GK101900768SQ20091008622
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權日2009年5月27日
發(fā)明者孫波, 張升偉, 張瑜, 李丹娜 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心