多通道并行可程控遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

白 玉,李欣欣,王 豪,程利甫,劉建鋒

(1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,沈陽 遼寧 110136；2.上海航天電子技術(shù)研究所,上海 200082)

0 引言

微波成像儀是一種被動(dòng)式無源微波遙感器,可以全天時(shí)、全天候?qū)Υ髿?、海洋和陸地進(jìn)行觀測(cè)[1]。在觀測(cè)過程中,微波輻射能量經(jīng)反射面進(jìn)入饋源,再經(jīng)過接收機(jī)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,輸出給遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),利用FPGA控制多路通道的信號(hào)采集,來對(duì)外界進(jìn)行遙感。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,有多種方法可以實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)采集功能。有人通過使用FPGA來控制模擬開關(guān)的地址切換(不同模擬地址對(duì)應(yīng)不同通道信號(hào)),對(duì)不同通道的信號(hào)進(jìn)行采集,即用一個(gè)AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)芯片來采集多通道信號(hào)的方法[3]。這種方法節(jié)約硬件電路,降低成本，但對(duì)所有通道信號(hào)采集一遍花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),通道數(shù)目越多、時(shí)間越長(zhǎng)。有人通過使用具有多路通道輸入的AD芯片,將這些AD芯片采取串并結(jié)合的方式,來實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道信號(hào)并行采集的功能[4]。此方法同步性比較好,但是在擴(kuò)展通道數(shù)目的過程中,需要增加AD芯片數(shù)量。也有人設(shè)計(jì)出基于TIADC(并行時(shí)間交替采樣技術(shù))的多通道并行采集系統(tǒng),利用多個(gè)AD對(duì)一路輸入信號(hào)進(jìn)行采樣、重組序列[5]。該方法常見被測(cè)試、測(cè)量設(shè)備使用，但此方法會(huì)造成通道、增益誤差[6],需要進(jìn)行調(diào)整。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于微波成像儀,其系統(tǒng)的采樣間隔時(shí)間影響微波成像儀的空間分辨率[7]。為了提高空間分辨率,對(duì)系統(tǒng)提出多通道并行采集、采樣起始時(shí)間和采樣間隔時(shí)間可控的要求。本文針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)中無法控制各通道采集起始時(shí)間和采樣間隔的局限性,提出一種多通道并行可程控的遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用順行的方法進(jìn)行采集。通過FPGA控制模擬門的地址,根據(jù)不同地址,選擇一路信號(hào)輸出給AD芯片進(jìn)行采集。采完一個(gè)通道信號(hào)后,切換模擬地址,順行采集下一個(gè)通道的信號(hào)，原理如圖1所示。

圖1 順行采集原理圖Fig.1 Row-by-row collection principle schematic diagram

此方法節(jié)約成本,減少重量,可對(duì)多路信號(hào)采集,也方便擴(kuò)展采集通道數(shù),但不能對(duì)多通道信號(hào)并行采集。

2 多通道并行程控遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵電路

整個(gè)遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。

2.1.1信號(hào)調(diào)理電路

此電路的原理是通過放大器,將外界輸入的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過濾波放大,使信號(hào)在AD的采集量程范圍內(nèi)，電路原理圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理框圖Fig.2 System hardware design principle block diagram

圖3 信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Signal conditioning circuit

2.1.2遙感采集電路

考慮到需要對(duì)每一通道的采樣間隔時(shí)間進(jìn)行控制,因此遙感采集電路是采用完全并行采集的設(shè)計(jì)。在此電路中,選用具有16 bit轉(zhuǎn)換精度、采樣率200 Kbps、采集信號(hào)輸入量程為-10～+10 V、逐次逼近型的AD976A芯片。將接收到十六進(jìn)制的遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)字A。其中A和電壓V之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

(1)

(2)

2.1.3差分信號(hào)收發(fā)電路

使用差分信號(hào)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?具有抗干擾能力強(qiáng),有效抑制EMI和產(chǎn)生精準(zhǔn)時(shí)序的作用,可靠性比較高。其單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)是通過使用DS26C31、DS26C32芯片。DS26C32芯片用于設(shè)計(jì)接收電路,DS26C31用于差分信號(hào)發(fā)送電路。

控制DS26C31芯片工作的使能信號(hào)RC_422由上電復(fù)位電路控制。當(dāng)系統(tǒng)上電后,由于電容處于充電狀態(tài),MA_RC_IN信號(hào)此時(shí)為高電平,在反相器中對(duì)應(yīng)輸出MA_RC_422信號(hào)此時(shí)為低電平。當(dāng)電容充電完成后,電路處于通的狀態(tài),此時(shí),MA_RC_IN信號(hào)為低電平,MA_RC_422信號(hào)為高電平。原理如圖4所示。

圖4 上電復(fù)位電路Fig.4 Power on reset circuit

2.2 軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵功能與模塊

通過FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感、定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)倪^程,控制多路通道并行采集,并對(duì)遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中每個(gè)通道的工作時(shí)序進(jìn)行控制,如圖5所示。

對(duì)于FPGA的設(shè)計(jì),采用把整個(gè)大功能往下分成小的功能模塊的方法。整個(gè)FPGA架構(gòu)如圖6所示。

先把各個(gè)整個(gè)功能分為兩大部分:一部分為對(duì)通道采集時(shí)間的控制,主要實(shí)現(xiàn)在不同工作模式下,分別對(duì)定標(biāo)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)的采集時(shí)序控制；另一部分是對(duì)遙感通道采集,以及數(shù)據(jù)的傳送功能。

2.2.1起始脈沖濾波功能

起始脈沖的作用是當(dāng)其為低脈沖時(shí),啟動(dòng)遙感通道開始工作。為了防止上電后,FPGA收到誤脈沖信號(hào),產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤控制請(qǐng)求。采用給起始脈沖濾波的技術(shù),將收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波整形。其原理是對(duì)收到的I_PULSE信號(hào)進(jìn)行判別,令狀態(tài)寄存器FITER初始狀態(tài)為X“F”。當(dāng)I_PULSE是持續(xù)一段時(shí)間的高電平或者低電平,此時(shí)FITER=X“F”或FITER=X“0”,則輸出高電平或者低電平。其仿真波形如圖7所示。

圖5 通道采集流程圖Fig.5 Channel collection flow chart

圖6 FPGA模塊框圖Fig.6 Block diagram of FPGA module

圖7 濾波模塊仿真波形Fig.7 Simulation waveform of filter module

2.2.2多端口訪問隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)功能

在對(duì)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí),其核心是解決多個(gè)通道數(shù)據(jù)同時(shí)對(duì)RAM進(jìn)行讀寫、存儲(chǔ)的問題。通過設(shè)計(jì)一個(gè)RAM IP核來實(shí)現(xiàn)上述功能。在此RAM IP軟核中,依據(jù)RAM芯片工作時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì),既可以作為連接實(shí)際芯片工作的模塊,也可以作為通用IP 軟核,允許多個(gè)端口進(jìn)行讀寫訪問。此RAM 模塊可以依據(jù)自身實(shí)際需求,對(duì)端口數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展或者減少,同時(shí)此模塊的地址數(shù)量也可改變。對(duì)于各端口訪問的優(yōu)先級(jí)順序,依據(jù)每個(gè)端口訪問RAM的頻繁程度來進(jìn)行確認(rèn)。優(yōu)先級(jí)的級(jí)數(shù)Y計(jì)算方法如下,假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期時(shí)間為TCLK,訪問一次RAM的時(shí)間為TMIN,優(yōu)先級(jí)級(jí)數(shù)最高的端口,訪問RAM時(shí)間間隔為TMAX：

TMIN=3TCLK

(3)

(4)

模塊的仿真波形如圖8所示。

圖8 多端口同時(shí)訪問RAM時(shí)序圖Fig.8 Multi port simultaneous access to RAM sequence diagram

每個(gè)信號(hào)經(jīng)采集一次后轉(zhuǎn)換為16 bit數(shù)據(jù),按高低字節(jié)順序存入RAM中。由于RAM數(shù)據(jù)位為8 bit,每次采集往RAM中寫要兩次。每個(gè)訪問端口都有5個(gè)信號(hào),分別為訪問請(qǐng)求信號(hào)、寫信號(hào)、工作模式信號(hào)、地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)訪問請(qǐng)求信號(hào)為高電平時(shí),此端口開始訪問RAM。

2.2.3對(duì)RAM讀寫控制功能

在數(shù)據(jù)傳輸過程中,對(duì)RAM進(jìn)行正確可靠的讀寫操作,也是非常重要的一環(huán)。對(duì)RAM進(jìn)行寫操作的原理是:當(dāng)收到AD芯片采集完成后的READY信號(hào)和數(shù)據(jù),此時(shí)判斷起始脈沖信號(hào)是否為低脈沖；若是則寫地址按照提前規(guī)劃的位置進(jìn)行寫操作,若不是則地址繼續(xù)累加。這是按照每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一塊區(qū)域的原則,來劃分每一個(gè)通道的存儲(chǔ)地址空間。

在對(duì)RAM進(jìn)行讀操作時(shí),先判斷所有通道數(shù)據(jù)是否已經(jīng)采集結(jié)束。若是,開始給發(fā)送模塊一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。發(fā)送模塊按照規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率,同步發(fā)送出去。

2.2.4注數(shù)指令接收功能

對(duì)于注數(shù)指令的接收,是通過異步422差分信號(hào)電路、按照422協(xié)議進(jìn)行接收。為保證數(shù)據(jù)正確性,在接收數(shù)據(jù)包中,設(shè)置包頭。以包頭作為接收數(shù)據(jù)的判斷。對(duì)于此模塊可以按照不同的速率進(jìn)行接收。其速率的改變,通過設(shè)置其常數(shù)DIV_VALUE。其模塊仿真波形如圖9所示。

(5)

圖9 收數(shù)模塊仿真波形Fig.9 Receive module simulation waveform

2.2.5采樣起始時(shí)間可控與采樣間隔可變功能

通過接收注數(shù)指令,每個(gè)通道確定采集起始時(shí)間。控制AD芯片采集的啟動(dòng)模塊接收到起始脈沖信號(hào)和采集起始時(shí)間后,對(duì)此進(jìn)行判斷,當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)起始時(shí)間后,發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)給AD芯片,控制其采集。

注數(shù)指令不光包含各通道采集的起始時(shí)間,也包括各通道的采樣時(shí)間間隔。時(shí)間模塊根據(jù)不同工種模式,來確認(rèn)有不同的采樣點(diǎn)數(shù)。將采樣點(diǎn)數(shù)發(fā)送給控制AD芯片采集的模塊,通過判斷采集次數(shù)來結(jié)束本周期的采樣循環(huán)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試過程中,通過地面測(cè)試系統(tǒng)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送起始脈沖和注數(shù)指令,并且將模擬的外界電壓輸入給遙感通道,得到多個(gè)通道并行采集時(shí)的遙感實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)將采集到每一包的數(shù)據(jù),根據(jù)平均值、方差公式計(jì)算得出結(jié)果,并將每包數(shù)據(jù)中的采樣點(diǎn)進(jìn)行繪圖。

圖10是某一數(shù)據(jù)包內(nèi)183 GHz通道在采集1 V電壓信號(hào),A(遙感)(V)代表此通道遙感數(shù)據(jù)平均值,D(遙感)(mV)代表此通道遙感數(shù)據(jù)方差,MAX為此數(shù)據(jù)包內(nèi)該通道所有采樣點(diǎn)的最大采樣值,MIN為此數(shù)據(jù)包內(nèi)該通道所有采樣點(diǎn)的最小采樣值。橫坐標(biāo)代表采樣點(diǎn)數(shù)目,縱坐標(biāo)代表電壓值。

圖10 185 GHz通道采集圖Fig.10 183 GHz channel collection diagram

在不同工作模式下,當(dāng)切換為1.7 s工作模式時(shí),各通道不進(jìn)行采樣,也就是上圖中低電平部分。計(jì)算均值和方差時(shí)也把這些數(shù)據(jù)剔除。數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 通道采集數(shù)據(jù)的均值和方差對(duì)比

表1在同頻段只選一個(gè)通道,且來源為同一包數(shù)據(jù)的采樣值。在這包數(shù)據(jù)中給所有通道遙感采集的電壓值都為1 V,冷、熱定標(biāo)采集數(shù)據(jù)值均為0.9 V。此表顯示各通道無論是對(duì)遙感、冷定標(biāo)、熱定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,采樣數(shù)值的方差很小,均在0.3 mV左右。

圖11和圖12分別顯示的為各通道采集不同電壓值的遙感均值圖和冷熱定標(biāo)均值圖。圖中橫坐標(biāo)是包計(jì)數(shù),單位為個(gè),縱坐標(biāo)是電壓值,單位為V。根據(jù)冷熱定標(biāo)數(shù)據(jù)可以計(jì)算最終微波成像儀的靈敏度[8-9]。

圖11 各通道遙感數(shù)據(jù)均值Fig.11 Mean value of remote sensing data

圖12 各通道冷熱定標(biāo)數(shù)據(jù)均值Fig.12 Mean values of cold and heat calibration data

當(dāng)各通道分別采集不同電壓值時(shí),其中第3 250到3 300包數(shù)據(jù),中間通過注數(shù)改變采樣間隔時(shí)間,不改變外界模擬輸入的電壓值。除去特殊工作模式,其采樣的遙感、定標(biāo)的均值也比較穩(wěn)定。其余包的數(shù)據(jù)是改變外界各通道模擬輸入電壓,不改變采樣間隔。

4 結(jié)論

本文提出了多通道并行可程控遙感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多通道并行采集,采樣起始時(shí)間可調(diào)、采樣間隔時(shí)間可控的功能。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)各通道并行采集電壓值大小一樣的數(shù)據(jù)時(shí),方差在0.3 mV左右,比較穩(wěn)定。在各通道采集不同值時(shí)且外界模擬電壓不變情況下,改變采樣間隔前后的

均值也比較穩(wěn)定。此遙感采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適合同類的微波成像儀中。但是,此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)每一通道采樣起始時(shí)間和采樣間隔可調(diào),使用多片AD,占用較多板子面積。如何節(jié)約成本、減少體積和重量、實(shí)現(xiàn)小型化,可在后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行研究。