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一种多通道微波辐射计系统控制装置及控制方法

文档序号:6151390
专利名称:一种多通道微波辐射计系统控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种辐射计系统控制装置,特别涉及一种基于FPGA开发板的用于多 通道微波辐射计的系统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,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、农林病虫害检测、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,对于多通道微波辐射计的系统控制装置就要求其 具有高可靠性、高分辨率、实时性好、体积小、重量轻、功耗低、开发周期短、可移植性强等特 点ο目前国内多数微波辐射计上使用的系统控制装置采用以80C31单片机器件为核 心进行设计,利用现成的微处理器开发系统,通过汇编语言进行设计和加载。采用这种方 法进行设计的优点是技术成熟、开发风险较小,但缺点更为突出,由于受微处理器芯片和外 围电路的限制,所占体积较大,需要多个电路板协调工作,并通过FIFO相互传输数据;另外 80C31单片机系统功耗较大,由于总功率有限,因此这也是一个很大的缺陷。目前另一种改进的多通道微波辐射计系统控制装置是根据需求自制FPGA(现场 可编程门阵列Field-Programmable GateArray)电路板,进行FPGA及外围电路设计,再进 行与数据采集板和其他控制板的对接。优点是功耗降低、实现了设备的轻小型化,从而改进 了上述使用80C31单片机作为核心的系统控制装置的不足;但这种设计明显的缺陷是与远 程计算机数据交换总线固定不可选择,可移植性差,同时开发和调试周期较长,可扩展性和 适应性不高,且成本较高。

发明内容
为了解决上述两种通用的微波辐射计系统控制装置存在的问题,本发明的目的在 于提供一种基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置及控制方法,使用现有的 FPGA开发板与其他控制电路相结合来实现对多通道微波辐射计系统的控制,适用于低成 本、高可靠性、高分辨率、低功耗、重量轻、开发周期短、可移植性和可扩展性要求高的多通 道微波辐射计数据管理与控制系统。为了实现上述目的,本发明提供一种多通道微波辐射计系统控制装置,使用现有 的FPGA开发板与其他控制电路相结合来实现对多通道微波辐射计系统的控制,包括FPGA 开发板部分,数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分,系统开关控制电路部分和电 平转换电路部分。所述FPGA开发板部分,根据系统既定的时序或远程计算机注入的控制指令,通过 电平转换电路部分的转换处理后,控制所述数据采集电路部分完成科学数据和温度数据的
5采集,并控制所述AGC自动增益控制电路部分为多通道微波辐射计冷源和热源的定标提供 AGC调整值,还控制所述系统开关控制电路部分完成整个系统、接收机和噪声源的开关机功 能,同时完成科学数据包到远程计算机的回传。这里,该FPGA开发板部分控制其他控制电路部分时所采用的工作模式包括默认 工作模式、热源工作模式、冷源工作模式和固定角度工作模式。采用所述默认工作模式时, 工作周期为60秒,分为冷、热源定标和目标观测两部分,由所述系统开关控制电路部分控 制实现,当该系统开关控制电路部分的整个系统开关机电路接通时,若接收机开关为TTL 低电平,并且噪声源开关为高电平时,实现热源定标;当接收机开关为TTL低电平,并且噪 声源开关为低电平时,实现冷源定标;当接收机开关为TTL高电平,并且噪声源开关为低电 平时,实现目标观测;同时,定标过程中根据所述FPGA开发板对所述数据采集电路部分接 收到的辐射计冷源和热源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控制电路提供有效的 AGC调整值,直到所述FPGA开发板部分判断定标值符合技术要求时,定标过程结束,进入目 标观测状态,由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10路科学数据和25路温 度数据的采集;一个周期结束后,由FPGA开发板将采集数据和运行状态数据打包并传回远 程计算机;采用所述热源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开关持续 为高电平,一直观测热源,直到系统接收到新的注入指令;采用所述冷源工作模式时,接收 机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开关持续为低电平,一直观测冷源,直到系统接收到 新的注入指令;采用所述固定角度工作模式时,接收机开关持续为TTL高电平,并且噪声源 开关持续为低电平,一直观测固定目标,直到系统接收到新的注入指令。所述数据采集电路部分,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FPGA开发板部分发出的控制指令,完成对多通道微 波辐射计科学数据和温度数据的采集。所述AGC自动增益控制电路部分,由多个DA转换器、隔离驱动电路组成,所述FPGA 开发板对所述数据采集电路部分接收到的辐射计冷源和热源的定标值进行判断后,为该 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多 通道微波辐射计的接收机部分。所述系统开关控制电路部分,由整个系统开关机控制电路、接收机开关控制电路、 以及噪声源开关控制电路组成,该系统开关控制电路依据所述FPGA开发板部分发出的控 制指令,控制所述系统开关控制电路部分完成整个系统、接收机和噪声源的开关机功能。所述电平转换电路部分,负责完成由FPGA开发板输出的LVTTL电平和IC器件 CMOS电平的转换,实现所述FPGA开发板与所述其他控制电路的连接。另外,所述FPGA开发板部分,可以采用Xilinx企业Virtex-4系列、Virtex-5系 列的FPGA开发板,也可以采用Altera企业的Cyclone系列、Cyclone II系列等具有相似 功能的FPGA开发板,编程所使用的硬件描述语言VHDL可以方便的移植到不同型号的FPGA 开发板上,这里以Xilinx企业Virtex-4系列FPGA开发板为例进行说明,由FPGA控制芯 片、100MHz时钟源、数据存储器、程序存储器、Flash闪存、16位IXD显示器、64位输入输出 接口、电源控制电路、总线控制电路及外围控制电路构成。其中,所述总线的类型根据传输 距离要求进行调整,可采用串行接口、USB接口和以太网接口进行传输;所述程序存储器使 用E2PR0M ;所述数据存储器根据数据量的不同采用不同容量的SDRAM。
另外,所述数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分,系统开关控制电路部 分和电平转换电路部分在一块电路板上完成,最后实现与FPGA开发板的连接,完成整体功 能。另外,所述数据采集电路部分采集的信号包括微波辐射计多个通道的遥感信 号和相关多路温度信号,通过多路选择器选择后送入A/D转换器,其中多路选择器地址由 FGPA开发板部分I/O接口提供。另外,所述AGC自动增益控制电路部分,多个D/A转换器输入的数字信号分别相 连,并与FPGA开发板I/O接口相连,通过所述FPGA开发板对D/A转换器片选信号和读写信 号的控制,实现对不同通道AGC调整值的写入。另外,所述系统开关控制电路部分中,所述整个系统开关机控制电路通过继电器 控制+12V和+5V电源通断;所述接收机开关控制电路通过所述FPGA开发板控制所述电平 转换电路实现TTL电平通断;所述噪声源开关控制电路采用两个三极管相连控制+15V电源 通断。另外,本发明还提供一种多通道微波辐射计系统控制装置的控制方法,是上述基 于FPGA开发板的用于多通道微波辐射计系统控制装置的控制方法,包括如下步骤1)FPGA开发板部分通过串行总线接收远程计算机指令包,根据注入指令确定系统 工作模式,同时为数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分、系统开关控制电路部分 提供相应时序,向系统发出控制指令,控制微波辐射计多个通道进行科学数据和温度数据 的采集,并负责将采集的科学数据包下传到远程计算机;2)当注入指令为默认工作模式时,工作周期为60秒,分为冷热源定标和目标观测 两部分,由所述系统开关控制电路部分控制实现,当整个系统开关机电路接通时,若接收机 开关为TTL低电平,并且噪声源开关为高电平(+15V)时,实现热源定标;当接收机开关为 TTL低电平,并且噪声源开关为低电平时,实现冷源定标;当接收机开关为TTL高电平,并且 噪声源开关为低电平时,实现目标观测;同时,定标过程中根据所述FPGA开发板对所述数 据采集电路部分接收到的辐射计冷源和热源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控 制电路提供有效的AGC调整值,直到所述FPGA开发板部分判断定标值符合技术要求时,定 标过程结束,进入目标观测状态,由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10路 科学数据和25路温度数据的采集,采样速率最高为200K ;—个周期结束后,由FPGA开发板 将采集数据和运行状态数据打包并传回远程计算机。系统运行过程中,FPGA开发板部分通 过中断及时接收远程计算机注入指令包,所在周期运行结束后,将该周期数据下传,同时终 止当前工作模式,重新分析注入指令包内容,根据注入指令重新确定系统工作模式,并进入 新的运行周期;3)当注入指令为热源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开 关持续为高电平(+15V),一直观测热源,同时,根据所述FPGA开发板对所述数据采集电路 部分接收到的辐射计热源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控制电路提供有效的 AGC调整值,调整热源定标值输出;由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10 路定标数据和25路温度数据的采集,采样速率最高为200K ;每隔60秒将采集的数据传回 远程计算机,直到系统接收到新的注入指令;4)当注入指令为冷源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开关持续为低电平,一直观测冷源,同时,根据所述FPGA开发板对所述数据采集电路部分接 收到的辐射计冷源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控制电路提供有效的AGC调 整值,调整冷源定标值输出;由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10路定标 数据和25路温度数据的采集,采样速率最高为200K ;每隔60秒将采集的数据传回远程计 算机,直到系统接收到新的注入指令;5)当注入指令为固定角度观测时,接收机开关持续为TTL高电平,并且噪声源开 关持续为低电平,一直观测固定目标,由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行 10路科学数据和25路温度数据的采集,采样速率最高为200K ;每隔60秒将采集的数据传 回远程计算机,直到系统接收到新的注入指令。本发明的一种基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置及控制方法的 有益效果在于适用于低成本、高可靠性、高分辨率、低功耗、重量轻、开发周期短、可移植性 和可扩展性要求高的多通道微波辐射计数据管理与控制系统。为了满足多方面的需求,对 通用的两种微波辐射计系统控制装置进行了优化改进设计,既没有采用高功耗、体积大的 单片机系统;也没有采用可扩展性差、开发周期长、成本高的自行FPGA设计。本发明所采取 的使用现有的FPGA开发板与其他控制电路相结合的控制方法,使多通道微波辐射计系统 控制装置的成本降低、开发周期缩短、且灵活性和可扩展性更好,应用范围更加广泛。


图1是本发明的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的组成框图。图2是构成本发明的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的FPGA 开发板的结构示意图。图3是构成本发明的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的数据 采集电路的结构示意图。图4是构成本发明的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的AGC 自动增益控制电路的结构示意图。图5是构成本发明的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的系统 开关控制电路的结构示意图。图6是构成本发明的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的电平 转换电路的结构示意图。图7是本发明的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方案对本发明的一种基于FPGA开发板的多通道微波辐 射计系统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FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的 组成框图。如图1所示,本发明的多通道微波辐射计系统控制装置,使用现有的FPGA开发板 与其他控制电路相结合来实现对多通道微波辐射计系统的控制,主要由FPGA开发板部分, 数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分,系统开关控制电路部分和电平转换电路部 分组成。其中,数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分,系统开关控制电路部分和电
8平转换电路部分可在一块电路板上完成,最后实现与FPGA开发板的连接,完成整体功能。另外,FPGA开发板部分主要由FPGA控制芯片、时钟源、存储器、IXD显示器、总线控 制器及外围电路等组成,主要功能是根据系统既定的时序或远程计算机注入的控制指令, 通过电平转换电路部分转换处理后,控制所述数据采集电路部分完成科学数据和温度数据 的采集,并控制所述AGC自动增益控制电路部分为多通道微波辐射计冷源和热源的定标提 供AGC调整值,还控制所述系统开关控制电路部分完成整个系统、接收机和噪声源的开关 机功能,同时完成科学数据包到远程计算机的回传。数据采集电路部分主要由隔离驱动电路、一个或多个多路选择器、以及一个A/D 转换器组成,其主要功能是依据所述FPGA开发板部分发出的控制指令,完成对多通道微波 辐射计科学数据和温度数据的采集,本数据采集电路中A/D转换器可以根据具体设计要求 选择不同的输入电压范围、量化精度和转换速率。AGC自动增益控制电路部分主要由多个DA转换器、隔离驱动电路组成,其主要功 能是依据数据采集电路部分接收到的辐射计冷源和热源的定标值,由所述FPGA开发板进 行判断后,为该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 电路后提供给多通道微波辐射计的接收机部分。系统开关控制电路部分主要由整个系统开关机控制电路、接收机开关控制电路、 以及噪声源开关控制电路组成,其主要功能是依据所述FPGA开发板部分发出的控制指令, 控制该系统开关控制电路部分完成整个系统、接收机和噪声源的开关机功能。电平转换电路部分主要功能是完成由FPGA开发板LVTTL电平和IC器件CMOS电 平的转换,实现所述FPGA开发板与所述其他控制电路的连接。图2是构成本发明的一种基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的 FPGA开发板结构示意图。如图2所示,本发明的多通道微波辐射计系统控制装置的FPGA开 发板部分可以采用Xilinx企业Virtex-4系列、Virtex-5系列的FPGA开发板,也可以采用 Altera企业的Cyclone系列、Cyclone II系列等具有相似功能的FPGA开发板,编程所使用 的硬件描述语言VHDL可以方便的移植到不同型号的FPGA开发板上。这里以Xilinx企业Virtex-4系列FPGA开发板为例进行说明,该FPGA开发板部 分由FPGA控制芯片、100MHz时钟源、数据存储器SDRAM、程序存储器PR0M、Flash闪存、16位 LCD显示器、总线控制器及外围电路构成。本发明的总线类型根据传输距离要求进行调整, 可采用串行接口、USB接口和以太网接口进行传输;所述程序存储器使用E2PR0M ;所述数据 存储器根据数据量的不同采用不同容量的SDRAM。所述FPGA开发板功能较为完备,具有多 种总线接口,通过编程可以选择多种与远程计算机的数据传输方式,可扩展性和适应性较 好;同时16位LCD显示器方便系统调试,缩短了研发周期,降低了成本,且可靠性更高,与自 行设计的FPGA电路板相比优势更为突出。此外,该FPGA开发板的主要功能如下■根据系统既定的时序或远程计算机注入的控制指令,经过电平转换后,为数据 采集电路提供相应的时序,控制所述数据采集电路部分完成科学数据和温度数据的采集, 同时接收由数据采集电路采集的数字信号并存储到RAM中。■在定标过程中,根据根据系统既定的时序或远程计算机注入的控制指令,判断 数据采集电路采集的定标值,根据定标值为多通道微波辐射计冷源和热源的定标提供AGC调整值,通过AGC自动增益控制电路后输出到接收机。■根据系统既定的时序或远程计算机注入的控制指令,为系统开关控制电路提供 不同的控制电平,控制系统开关控制电路部分完成整个系统、接收机和噪声源的开关机功 能。■通过该FPGA开发板中的总线控制电路接收远程计算机注入的指令包并实行, 同时将采集数据和运行状态数据打包并传回远程计算机。此外,该FPGA开发板部分控制其他所述控制电路部分共分为四种工作模式默认 工作模式、热源工作模式、热源工作模式和固定角度工作模式。采用所述默认工作模式时,工作周期为60秒,分为冷热源定标和目标观测两部 分,由所述系统开关控制电路部分控制实现,当该系统开关控制电路部分的整个系统开关 机电路接通时,若接收机开关为TTL低电平,并且噪声源开关为高电平(+15V)时,实现热 源定标;当接收机开关为TTL低电平,并且噪声源开关为低电平时,实现冷源定标;当接收 机开关为TTL高电平,并且噪声源开关为低电平时,实现目标观测;同时,定标过程中根据 所述FPGA开发板对所述数据采集电路部分接收到的辐射计冷源和热源的定标值进行判断 后,为所述AGC自动增益控制电路提供有效的AGC调整值,直到所述FPGA开发板部分判断 定标值符合技术要求时,定标过程结束,进入目标观测状态,由数据采集电路部分控制微波 辐射计多个通道进行10路科学数据和25路温度数据的采集,采样速率为200K ;—个周期 结束后,由FPGA开发板将采集数据和运行状态数据打包并传回远程计算机。采用所述热源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开关持续 为高电平(+15V),一直观测热源,直到系统接收到新的注入指令。采用所述冷源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开关持续 为低电平,一直观测冷源,直到系统接收到新的注入指令。采用所述固定角度工作模式时,接收机开关持续为TTL高电平,并且噪声源开关 持续为低电平,一直观测固定目标,直到系统接收到新的注入指令。图3是构成本发明的一种基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的 数据采集电路的结构示意图。如图3所示,本发明的多通道微波辐射计系统控制装置的数 据采集电路部分主要由隔离驱动电路、一个或多个多路选择器、以及一个A/D转换器组成。 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,多路选择器的通道数量 通过具体的数据采集技术指标确定,其地址信号由所述FPGA开发板I/O接口提供,经电平 转换后送入多路选择器。该数据采集电路依据所述FPGA开发板部分发出的控制指令,完成 对微波辐射计多个通道的遥感信号和相关多路温度信号的采集,实际采样率可根据具体技 术指标进行设计,采样速率最大为200K,经过多路选择器选择后送入A/D转换器。图4是构成本发明的一种基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的 AGC自动增益控制电路的结构示意图。如图4所示,本发明的多通道微波辐射计系统控制装 置的AGC自动增益控制电路部分主要由多个DA转换器、隔离驱动电路组成。其中,多个D/ A转换器输入的数字信号分别相连,并与FPGA开发板I/O接口相连,通过所述FPGA开发板 对D/A转换器片选信号和读写信号的控制,实现对不同通道AGC调整值的写入,经过D/A转 换器及隔离驱动电路后提供给多通道微波辐射计的接收机部分。图5是构成本发明的一种基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的系统开关控制电路的结构示意图。如图5所示,本发明的多通道微波辐射计系统控制装置 的系统开关控制电路部分主要由整个系统开关机控制电路、接收机开关控制电路、以及噪 声源开关控制电路组成。其中,整个系统开关机控制电路通过继电器控制+12V和+5V电源 通断;接收机开关控制电路通过所述FPGA开发板控制所述电平转换电路实现TTL电平通 断;噪声源开关控制电路采用两个三极管相连控制+15V电源通断,取代了以往通用微波辐 射计上使用的微波开关,克服了微波开关每次通断损耗都不重复的缺点,性能更好。图6是构成本发明的一种基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的 电平转换电路的结构示意图。如图6所示,本发明的多通道微波辐射计系统控制装置的电 平转换电路部分采用双向LVTTL与CMOS电平转换芯片,完成FPGA开发板LVTTL电平与IC 器件CMOS电平之间的转换,实现了所述FPGA开发板与所述其他控制电路的连接。另外,图7是本发明的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的控制 方法的流程图,如图7所示,本发明的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置 的控制方法,包括如下步骤1)FPGA开发板部分通过串行总线接收远程计算机指令包,根据注入指令确定系统 工作模式,同时为数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分、系统开关控制电路部分 提供相应时序,向系统发出控制指令,控制微波辐射计多个通道进行科学数据和温度数据 的采集,并负责将采集的科学数据包下传到远程计算机;2)当注入指令为默认工作模式时,工作周期为60秒,分为冷热源定标和目标观测 两部分,由所述系统开关控制电路部分控制实现,当整个系统开关机电路接通时,若接收机 开关为TTL低电平,并且噪声源开关为高电平(+15V)时,实现热源定标;当接收机开关为 TTL低电平,并且噪声源开关为低电平时,实现冷源定标;当接收机开关为TTL高电平,并且 噪声源开关为低电平时,实现目标观测;同时,定标过程中根据所述FPGA开发板对所述数 据采集电路部分接收到的辐射计冷源和热源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控 制电路提供有效的AGC调整值,直到所述FPGA开发板部分判断定标值符合技术要求时,定 标过程结束,进入目标观测状态,由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10路 科学数据和25路温度数据的采集,采样速率为200K ;—个周期结束后,由FPGA开发板将采 集数据和运行状态数据打包并传回远程计算机。系统运行过程中,FPGA开发板部分通过中 断及时接收远程计算机注入指令包,所在周期运行结束后,将该周期数据下传,同时终止当 前工作模式,重新分析注入指令包内容,根据注入指令重新确定系统工作模式,并进入新的 运行周期;3)当注入指令为热源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开 关持续为高电平(+15V),一直观测热源,同时,根据所述FPGA开发板对所述数据采集电路 部分接收到的辐射计热源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控制电路提供有效的 AGC调整值,调整热源定标值输出;由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10 路定标数据和25路温度数据的采集,采样速率为200K ;每隔60秒将采集的数据传回远程 计算机,直到系统接收到新的注入指令;4)当注入指令为冷源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开 关持续为低电平,一直观测冷源,同时,根据所述FPGA开发板对所述数据采集电路部分接 收到的辐射计冷源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控制电路提供有效的AGC调
11整值,调整冷源定标值输出;由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10路定标 数据和25路温度数据的采集,采样速率为200K ;每隔60秒将采集的数据传回远程计算机, 直到系统接收到新的注入指令;5)当注入指令为固定角度观测时,接收机开关持续为TTL高电平,并且噪声源开 关持续为低电平,一直观测固定目标,由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行 10路科学数据和25路温度数据的采集,采样速率为200K ;每隔60秒将采集的数据传回远 程计算机,直到系统接收到新的注入指令。综上所述,本发明的多通道微波辐射计系统控制装置不仅克服了以往微波辐射计 以80C31单片机为核心进行设计时体积大、功耗大的缺点,也弥补了自制FPGA电路板数据 交换接口固定、可扩展性差、开发调试周期长、成本高等缺陷。本发明可通过一块控制电路 板与FPGA开发板相连,即可灵活实现辐射计各种控制功能,极大的缩短了研发周期,且可 以根据不同任务类型,改变数据采集通道数量、数据传输方式等,具有很好的可扩展性和可 移植性,是一种具有创新性的优化设计的微波辐射计系统控制装置,满足了微波辐射计适 应不同任务的要求。
权利要求
一种多通道微波辐射计系统控制装置,其特征在于,使用现有的FPGA开发板与其他控制电路相结合来实现对多通道微波辐射计系统的控制,包括FPGA开发板部分,数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分,系统开关控制电路部分和电平转换电路部分,所述FPGA开发板部分,根据系统既定的时序或远程计算机注入的控制指令,通过电平转换电路部分转换处理后,控制所述数据采集电路部分完成科学数据和温度数据的采集,并控制所述AGC自动增益控制电路部分为多通道微波辐射计冷源和热源的定标提供AGC调整值,另外,还控制所述系统开关控制电路部分完成整个系统、接收机和噪声源的开关机功能,同时完成科学数据包到远程计算机的回传;所述数据采集电路部分,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FPGA开发板部分发出的控制指令,完成对多通道微波辐射计科学数据和温度数据的采集;所述AGC自动增益控制电路部分,由多个DA转换器、隔离驱动电路组成,所述FPGA开发板对所述数据采集电路部分接收到的辐射计冷源和热源的定标值进行判断后,为该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多通道微波辐射计的接收机部分;所述系统开关控制电路部分,由整个系统开关机控制电路、接收机开关控制电路以及噪声源开关控制电路组成,该系统开关控制电路依据所述FPGA开发板部分发出的控制指令,控制所述系统开关控制电路部分完成整个系统、接收机和噪声源的开关机功能;所述电平转换电路部分,负责完成由FPGA开发板输出的LVTTL电平和IC器件CMOS电平的转换,实现所述FPGA开发板与所述其他控制电路的连接。
2.如权利要求1所述的多通道微波辐射计系统控制装置,其特征在于,所述FPGA开发 板部分控制其他控制电路部分时所采用的工作模式包括默认工作模式、热源工作模式、冷 源工作模式和固定角度工作模式,采用所述默认工作模式时,工作周期为60秒,分为冷、热源定标和目标观测两部分,由 所述系统开关控制电路部分控制实现,当该系统开关控制电路部分的整个系统开关机电路 接通时,若接收机开关为TTL低电平,并且噪声源开关为高电平时,实现热源定标;当接收 机开关为TTL低电平,并且噪声源开关为低电平时,实现冷源定标;当接收机开关为TTL高 电平,并且噪声源开关为低电平时,实现目标观测;同时,定标过程中根据所述FPGA开发板 对所述数据采集电路部分接收到的辐射计冷源和热源的定标值进行判断后,为所述AGC自 动增益控制电路提供有效的AGC调整值,直到所述FPGA开发板部分判断定标值符合技术要 求时,定标过程结束,进入目标观测状态,由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进 行10路科学数据和25路温度数据的采集;一个周期结束后,由FPGA开发板将采集数据和 运行状态数据打包并传回远程计算机;采用所述热源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开关持续为高 电平,一直观测热源,直到系统接收到新的注入指令;采用所述冷源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开关持续为低 电平,一直观测冷源,直到系统接收到新的注入指令;采用所述固定角度工作模式时,接收机开关持续为TTL高电平,并且噪声源开关持续 为低电平,一直观测固定目标,直到系统接收到新的注入指令。
3.如权利要求1所述的多通道微波辐射计系统控制装置,其特征在于,所述FPGA开发 板部分采用Xilinx企业Virtex-4系列、Virtex-5系列的FPGA开发板,或者采用Altera公 司的Cyclone系列、Cyclone II系列的FPGA开发板,当采用Xilinx企业Virtex-4系列FPGA开发板时,其由FPGA控制芯片、IOOMHz时钟 源、数据存储器、程序存储器、Flash闪存、16位LCD显示器、64位输入输出接口、电源控制 电路、总线控制电路及外围控制电路构成,其中,所述总线的类型根据传输距离要求进行调整,采用串行接口、USB接口或者以太 网接口进行传输;所述程序存储器使用E2PROM ;所述数据存储器根据数据量的不同采用不 同容量的SDRAM。
4.如权利要求1所述的多通道微波辐射计系统控制装置,其特征在于,所述数据采集 电路部分、AGC自动增益控制电路部分,系统开关控制电路部分和电平转换电路部分在一块 电路板上完成,最后实现与FPGA开发板的连接,完成整体功能。
5.如权利要求1或4所述的多通道微波辐射计系统控制装置,其特征在于,所述数据 采集电路部分采集的信号包括微波辐射计多个通道的遥感信号和相关多路温度信号,通 过多路选择器选择后送入A/D转换器,其中多路选择器地址由FGPA开发板部分I/O接口提 {共。
6.如权利要求1或4所述的多通道微波辐射计系统控制装置,其特征在于,所述AGC自 动增益控制电路部分,多个D/A转换器输入的数字信号分别相连,并与FPGA开发板I/O接 口相连,通过所述FPGA开发板对D/A转换器片选信号和读写信号的控制,实现对不同通道 AGC调整值的写入。
7.如权利要求1或4所述的多通道微波辐射计系统控制装置,其特征在于,所述系统开 关控制电路部分中,所述整个系统开关机控制电路通过继电器控制+12V和+5V电源通断; 所述接收机开关控制电路通过所述FPGA开发板控制所述电平转换电路实现TTL电平通断; 所述噪声源开关控制电路采用两个三极管相连控制+15V电源通断。
8.—种多通道微波辐射计系统控制装置的控制方法,其特征在于,是所述权利要求 1 7中任意一项所述的基于FPGA开发板的多通道微波辐射计系统控制装置的控制方法, 包括如下步骤1)FPGA开发板部分通过串行总线接收远程计算机指令包,根据注入指令确定系统工作 模式,同时为数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分、系统开关控制电路部分提供 相应时序,向系统发出控制指令,控制微波辐射计多个通道进行科学数据和温度数据的采 集,并负责将采集的科学数据包下传到远程计算机;2)当注入指令为默认工作模式时,工作周期为60秒,分为冷、热源定标和目标观测两 部分,由所述系统开关控制电路部分控制实现,当该系统开关控制电路部分的整个系统开 关机电路接通时,若接收机开关为TTL低电平,并且噪声源开关为高电平时,实现热源定 标;当接收机开关为TTL低电平,并且噪声源开关为低电平时,实现冷源定标;当接收机开 关为TTL高电平,并且噪声源开关为低电平时,实现目标观测;同时,定标过程中根据所述FPGA开发板对所述数据采集电路部分接收到的辐射计冷 源和热源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控制电路提供有效的AGC调整值,直到所述FPGA开发板部分判断定标值符合技术要求时,定标过程结束,进入目标观测状态,由 数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10路科学数据和25路温度数据的采集;一个周期结束后,由FPGA开发板将采集数据和运行状态数据打包并传回远程计算机, 系统运行过程中,FPGA开发板部分通过中断及时接收远程计算机注入指令包,所在周期运 行结束后,将该周期数据下传,同时终止当前工作模式,重新分析注入指令包内容,根据注 入指令重新确定系统工作模式,并进入新的运行周期;3)当注入指令为热源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开关持 续为高电平,一直观测热源,同时,根据所述FPGA开发板对所述数据采集电路部分接收到 的辐射计热源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控制电路提供有效的AGC调整值, 调整热源定标值输出;由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10路定标数据 和25路温度数据的采集;每隔60秒将采集的数据传回远程计算机,直到系统接收到新的注 入指令;4)当注入指令为冷源工作模式时,接收机开关持续为TTL低电平,并且噪声源开关持 续为低电平,一直观测冷源,同时,根据所述FPGA开发板对所述数据采集电路部分接收到 的辐射计冷源的定标值进行判断后,为所述AGC自动增益控制电路提供有效的AGC调整值, 调整冷源定标值输出;由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10路定标数据 和25路温度数据的采集;每隔60秒将采集的数据传回远程计算机,直到系统接收到新的注 入指令;5)当注入指令为固定角度观测时,接收机开关持续为TTL高电平,并且噪声源开关持 续为低电平,一直观测固定目标,由数据采集电路部分控制微波辐射计多个通道进行10路 科学数据和25路温度数据的采集;每隔60秒将采集的数据传回远程计算机,直到系统接收 到新的注入指令。
9.如权利要求8所述的多通道微波辐射计系统控制装置的控制方法,其特征在于,所 述FPGA开发板部分采用Xilinx企业Virtex-4系列、Virtex-5系列的FPGA开发板,或者 采用Altera企业的Cyclone系列、Cyclone II系列的FPGA开发板,当采用Xilinx企业Virtex-4系列FPGA开发板时,其由FPGA控制芯片、IOOMHz时钟 源、数据存储器、程序存储器、Flash闪存、16位LCD显示器、64位输入输出接口、电源控制 电路、总线控制电路及外围控制电路构成,其中,所述总线的类型根据传输距离要求进行调整,采用串行接口、USB接口或者以太 网接口进行传输;所述程序存储器使用E2PROM ;所述数据存储器根据数据量的不同采用不 同容量的SDRAM。
10.如权利要求8所述的多通道微波辐射计系统控制装置的控制方法,其特征在于,所 述数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分,系统开关控制电路部分和电平转换电路 部分在一块电路板上完成,最后实现与FPGA开发板的连接,完成整体功能。
全文摘要
本发明提供一种多通道微波辐射计系统控制装置及控制方法。该控制装置包括FPGA开发板部分,数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分,系统开关控制电路部分和电平转换电路部分。FPGA开发板部分通过串行总线接收远程计算机指令包,根据注入指令确定系统工作模式,同时为数据采集电路部分、AGC自动增益控制电路部分、系统开关控制电路部分提供相应时序,向系统发出控制指令,控制微波辐射计多个通道进行科学数据和温度数据的采集,并负责将采集的科学数据包下传到远程计算机。本发明采取现有FPGA开发板与其他控制电路相结合的控制方法,使多通道微波辐射计系统控制装置的成本降低、开发周期缩短、且灵活性和可扩展性更好,应用范围更加广泛。
文档编号G01R29/08GK101900768SQ20091008622
公开日2010年12月1日 申请日期2009年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者孙波, 张升伟, 张瑜, 李丹娜 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心
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