一種二維掃描式大氣偏振信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 勝， 范之國， 孫 闖

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥 230009）

太陽光進(jìn)入大氣層后，在傳輸過程中被大氣中的物質(zhì)散射、輻射和吸收，會(huì)產(chǎn)生具有不同偏振態(tài)的偏振光，這些具有不同偏振強(qiáng)度和方向的偏振光在大氣中形成了特定的偏振態(tài)分布，稱之為大氣偏振模式［1］。大氣偏振模式中含有重要的方向信息，其偏振度、偏振方向等參數(shù)信息隨著太陽位置、地理位置、大氣環(huán)境、天氣狀況以及地面環(huán)境的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化。自1809年發(fā)現(xiàn)大氣偏振以來，觀測(cè)大氣偏振現(xiàn)象一直與研究大氣污染和地面環(huán)境有著密切的聯(lián)系。

許多昆蟲通過對(duì)大氣偏振模式的檢測(cè)，可以遠(yuǎn)距離大范圍覓食卻能沿著近乎直線的路徑返回巢穴。因此，對(duì)大氣偏振模式的信息檢測(cè)及其相關(guān)研究，在仿生偏振光導(dǎo)航領(lǐng)域以及在陌生環(huán)境與特殊條件下的自主導(dǎo)航與定位都具有重要的意義和研究價(jià)值［2－4］。

本文針對(duì)大氣偏振信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集問題，設(shè)計(jì)了基于C8051F320微控制器的大氣偏振信息數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。本嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的采集、USB通訊的硬件部分、人機(jī)交互界面等，與大氣偏振傳感器、多維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、USB主從機(jī)通訊系統(tǒng)等一起構(gòu)成大氣偏振信息檢測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

本系統(tǒng)由大氣偏振信息檢測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集和控制部分構(gòu)成，主要由C8051F320型單片機(jī)、TLC3574AD轉(zhuǎn)換器、AT24C256I2CE2PROM存儲(chǔ)器、多維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)接口、USB接口以及用于人機(jī)交互的鍵盤和ST7920LCD顯示器組成，實(shí)現(xiàn)了通用嵌入式多路模擬數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)與顯示以及與上位機(jī)通信的USB接口和多維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件原理電路設(shè)計(jì)包括：AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)、LCD顯示器電路設(shè)計(jì)、I2CE2PROM電路設(shè)計(jì)、USB接口設(shè)計(jì)、鍵盤設(shè)計(jì)、復(fù)位及JTAG下載電路設(shè)計(jì)、多維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)等。

2.1 基于C8051F320的單片機(jī)最小系統(tǒng)

C8051F320單片機(jī)是Silicon Lab公司推出的一款新型USB微控制器芯片［5］，是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，其原理電路如圖2所示。

圖2 C8051F320單片機(jī)原理電路

該器件是真正能夠獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，具有較快的處理速度和較大的存儲(chǔ)容量，并且具有在系統(tǒng)可編程的功能，是嵌入式USB設(shè)計(jì)的理想選擇。

C8051F320型單片機(jī)可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x／805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)，指令執(zhí)行速度較快，工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25 MHz時(shí)，其峰值速度可以達(dá)到25 MIPS。

2.2 基于TLC3574AD的AD轉(zhuǎn)換模塊

TLC3574 AD轉(zhuǎn)換器是低功耗、CMOS、具有通用控制性能的14位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其原理電路如圖3所示。

串行界面有5個(gè)引腳，分別為片選信號(hào)輸入端／CS、幀同步信號(hào)輸入端FS、串行時(shí)鐘輸入輸出端SCLK、串行數(shù)據(jù)輸入端SDI和三態(tài)串行數(shù)據(jù)輸出端SDO。SPI總線界面有4個(gè)引腳，分別為／CS、SDI、SDO和SCLK引腳；DSP界面由FS、SDI、SDO和SCLK 4個(gè)引腳構(gòu)成。該轉(zhuǎn)換器的采樣模式可以編程，有短采樣（12個(gè)時(shí)鐘周期）和長采樣（44個(gè)時(shí)鐘周期）2種模式，以與高性能信號(hào)處理器的時(shí)鐘頻率相適應(yīng)。

圖3 AD轉(zhuǎn)換器部分原理電路

TLC3574AD轉(zhuǎn)換器采用串行接入，工作在查詢方式，需要注意的是：在使用時(shí)要將數(shù)字地與模擬地分開，數(shù)字端供電電壓也與模擬端供電電壓不同［6－8］。

2.3 基于I2 C總線的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

AT24C256是一個(gè)32 k電可擦可編程的非易失性存儲(chǔ)器，采用I2C接口，每路總線最大可以連接4片存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)部分采用2片AT24C256I2CE2PROM，共計(jì)64 k的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，為確保存儲(chǔ)速度，使存儲(chǔ)芯片工作在最高驅(qū)動(dòng)電壓。

依據(jù)I2C協(xié)議，在SDA和SCK線上拉了5.1 k電阻［6］，其原理電路如圖4所示。

圖4 存儲(chǔ)器部分原理圖

2.4 ST7920型LCD顯示器

人機(jī)交互界面為全中文圖形界面，采用含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形LCD顯示模塊。該模塊具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCⅡ字符集，不僅可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，而且還能進(jìn)行圖形顯示。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與由同類型圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊構(gòu)成的顯示方案相比，具有工作電壓低、功耗小、市場(chǎng)售價(jià)低廉、接口方式靈活、操作指令簡單、硬件電路及顯示程序簡潔的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法［9］，可以在設(shè)計(jì)好各部分子程序后，再設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)功能的主程序，程序的可讀性強(qiáng)、易修改。主程序包括：初始化、步進(jìn)電機(jī)設(shè)置、AD轉(zhuǎn)換設(shè)置、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示等，具體流程如下。

上電后，首先進(jìn)行初始化，主要包括單片機(jī)的初始化和LCD顯示器的初始化。單片機(jī)初始化主要包括對(duì)端口輸入輸出方式寄存器、交叉開關(guān)分配寄存器和端口跳過寄存器進(jìn)行配置，以及對(duì)振蕩器、定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化；LCD顯示器的初始化主要是向LCD顯示器輸入控制命令，選擇LCD的顯示方式。初始化結(jié)束后，等待用戶命令，然后根據(jù)用戶命令對(duì)步進(jìn)電機(jī)、采樣方式等進(jìn)行設(shè)置。

步進(jìn)電機(jī)的設(shè)置包括水平與垂直速度設(shè)置、水平與垂直步距設(shè)置。AD轉(zhuǎn)換器設(shè)置包括自動(dòng)采集設(shè)置（設(shè)置采集的速度）和點(diǎn)采集設(shè)置。自動(dòng)采集主要是設(shè)定采集的序號(hào)和采集的時(shí)間；點(diǎn)采集主要用于手動(dòng)采集，根據(jù)所按的鍵以及按鍵持續(xù)時(shí)間采集數(shù)據(jù)。需要說明的是：步進(jìn)電機(jī)和AD轉(zhuǎn)換器也可以不設(shè)置，此時(shí)進(jìn)入缺省模式。當(dāng)這些設(shè)置全部完成后，可以由用戶命令進(jìn)入采集程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后再調(diào)用USB通訊程序?qū)?shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)大氣偏振信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集問題，提出了一種基于C8051F320微控制器的大氣偏振信息數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路、原理及方法，詳述了重要功能模塊的電路原理，其優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）采用低功耗，有利于脫機(jī)工作。

（2）器件的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠適應(yīng)各種天氣條件。

（3）軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，可修改性強(qiáng)。

（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度較高，可提供較為可靠的數(shù)據(jù)。

本嵌入式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)與大氣偏振傳感器、多維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、USB主從機(jī)通訊系統(tǒng)等一起構(gòu)成大氣偏振信息檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了部分天空區(qū)域和全天域的大氣偏振模式信息的快速有效檢測(cè)，為大氣偏振信息的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。檢測(cè)結(jié)果表明，本數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，數(shù)據(jù)采集精度較高，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了實(shí)際檢測(cè)的總體要求，為大氣偏振模式相關(guān)研究提供了大量的可靠數(shù)據(jù)。

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