安徽四创电子股份有限公司
1 前言
微波辐射计是一种被动式无源微波遥感探测设备，能实时且连续的探测大气边界层和对流层的温度、湿度及液态水的廓线和总量等信息，适用于多地域、全天候、全天时的观测。微波辐射计主要由天馈子系统、接收子系统、伺服子系统、定标子系统和监控子系统组成，另外其外部还集成了GPS、气象站、云底仪和除霜风机等设备。
微波辐射计对各种探测数据的获得都是通过监控系统从各个子系统和外部设备采集得到的，监控系统采集各个子系统和外设的数据后，通过网络发送给终端计算机处理，而终端计算机发来的控制命令等信息也是由监控系统接收后再分配到各个子系统及外设执行。可见，监控系统在终端计算机与现场设备之间起着非常关键的联结作用。
2 电路设计
该监控系统采用FPGA作为核心器件设计，其硬件电路设计共包括4个部分，分别为FPGA配置及外围相关电路模块、电平转换电路模块、串口通信电路模块和网络通信电路模块。系统的电路组成系统框图如图1所示。
FPGA配置及外围相关电路模块中，所选用的FPGA芯片为ALTERA公司的EP1C12系列，该芯片包含12K的逻辑单元数，高达36864字节的RAM空间和2个锁相环，其内核电压为1.5V，IO口电压为3.3V。配置电路中包括JTAG调试接口和AS程序下载接口电路，主要用于FPGA软件程序的调试和最终固件程序的加载。外围相关电路则包括电源转换电路、FPGA的复位电路、时钟电路和温度监视电路。其中电源转换电路分为5V转3.3V和5V转1.5V两部分，分别为FPGA和其它模块提供工作电源；复位电路采用高可靠性复位芯片设计，在程序出现异常时可手动复位到初始状态；时钟电路是采用有源晶振设计，为FPGA提供稳定的工作时钟；温度监视电路采用数字式测温芯片AD7416设计，该芯片可输出10位的数字量温度值，测温精度为0.25℃，通过I?C接口与FPGA通信，用于监视FPGA的工作温度。
电平匹配电路的作用是为了匹配FPGA的IO口与外部设备之间的逻辑电平。此电路采用的电平转换芯片是TI公司生产的SN74ALVC164245,具有16路转换通道，可将3V与5V二者电平进行互相转换，且支持方向控制和三态输出控制。FPGA可以通过此电路控制AD采集板的数据读写信号，以及风机、气象站和噪声源的上电控制等操作。
串口通信电路的作用是同GPS、气象站、伺服子系统、恒温控制系统等外设进行通信，可以通过RS232接口从GPS获取授时和定位信息，可以通过RS485接口从气象站获取温度、湿度、风向风速、大气压等气象信息，可以通过RS422接口从伺服子系统获取天线的俯仰角度和方位角度等信息，可以通过RS422接口从恒温控制系统获取恒温控制信息。
网络通信电路是监控系统与终端计算机之间的通信接口，该模块采用WIZnet公司的网络芯片W5300设计。W5300是一款内部集成了固件TCP/IP协议栈和10/100M以太网MAC和PHY控制器的单芯片器件，其支持最多8个独立端口的同时工作，网络数据传输速率可达50Mbps，工作时不需要主机干预，内部处理所有的通信协议。在本设计中，W5300工作于地址直接访问模式，采用宽度为8位的数据总线通信。
另外，该系统还设计了采用芯片AT24C64作为数据存储芯片，用于保存终端计算机发来的各种配置参数，以及记录各个子系统和外部设备的故障信息等数据。
3 软件设计
监控系统软件是实现以上所有监控功能的核心，该软件采用功能模块化的思想设计，即一个功能对应地设计封装成一个子模块，各个子模块都与主控制模块进行并行的交互，由主控制模块统一协调各子模块事件的优先级顺序。而FPGA真正的并行处理能力和各个子模块之间独立的无竞争的资源独享机制，是整个系统的功能和性能得以实现的关键。该软件采用的开发工具是ALTERA公司的Quartus II 12.0,编程语言是VHDL语言，系统主要包括主控制模块、时钟管理模块，ADC数据采集模块、W5300收发模块、恒温控制通信模块、伺服控制通信模块、GPS通信模块、气象站通信模块、云底仪通信模块和风机控制模块等十大模块，生成的可执行文件通过AS程序下载接口加载于FPGA芯片中执行。软件部分的功能框图如图2所示。
时钟管理模块为其他各子模块提供稳定的工作时钟，这些时钟均通过调用内部PLL的IP核产生。
ADC数据采集模块是FPGA通过对ADC数据采集系统进行相应的参数配置后，读取其转换后的电磁波信号的数字量。监控系统与ADC采集系统之间通过高速SPI接口通信，在读取后还对信号值进行均值滤波运算。
W5300收发模块采用3个SOCKET端口设计，其中第一个SOCKET是接收端口，用于W5300从终端计算机处接收数据，第二个SOCKET是发送端口，专用于W5300向终端发送ADC数据，而第三个SOCKET是发送端口，用于W5300向终端发送其他监控信息。
恒温控制通信模块采用RS422协议通信，可以设置恒温目标温度值和风扇的启闭，也可以获取恒温控制系统发送来的温度值等信息。伺服控制通信模块也是采用RS422协议通信，可以设置天线的俯仰角度和方位角度，同时也可以获取天线的实时角度以及伺服控制系统的状态信息。
另外，GPS通信模块、气象站通信模块和云底仪通信模块均采用相同的串口通信模块，该模块根据串口通信协议编写，分为接收和发送两部分，采用异步时钟传输，波特率为9600，数据位为8位，校验位无，停止位为1位。风机控制模块是根据气象站所测得的降雨信息来控制除霜风机的启动与停止，用于除去微波辐射计天线罩上的水珠和冰霜等有害物质。
4 结束语
FPGA技术以其丰富的内部逻辑块和可编程布线资源，可灵活地实现各种定制功能，而且其强大的并行处理能力非常适合于多任务并发、高集成度、高可靠性系统的开发。本文介绍的微波辐射计监控系统正是采用FPGA的以上优势而设计实现的，该系统功能强大，接口丰富，可根据设备的不同功能需求做出灵活的调整，满足微波辐射计监控系统的实时性、并发性、稳定性等要求。
参考文献
[1]肖志辉,张祖荫,郭伟.地基、空基、星基微波辐射计定标技术概览[J].遥感技术与应用,2000(02):113-120.
[2]乔庐峰，王志功等译.VHDL数字电路设计教程[M].北京：电子工业出版社，2005.
[3]Cyclone FPGA Family Data Sheet Ver.1.2,Altera Corporation [EB/OL].Http://www.altera.com.
[4]W5300 Data Sheet,WIZnet Co.[EB/OL].Http://www.wiznet.co.kr.
论文作者:王学仁
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第10期
论文发表时间:2019/11/22
标签：模块论文; 电路论文; 辐射计论文; 通信论文; 子系统论文; 监控系统论文; 气象站论文; 《中国西部科技》2019年第10期论文;