無源毫米波成像系統設計研究

摘 要:隨著微波技術的日漸成熟和發展，毫米波以其受環境干擾小，可全天候工作等顯著特點成為軍事、生活、醫學等領域的重要技術。傳統的毫米波掃描采樣控制系統硬件系統選用元器件較多，結構比較復雜，消耗功率較大，成本較高，不利于升級換代和小型化制造。在概括介紹毫米波工作原理的基礎上，主要研究了以TMS2812 DSP芯片為控制核心的無源毫米波成像系統前端設備的系統構架，以及之后的器件選用和系統搭建，該系統有效地克服了傳統系統的不足，在實現功能的基礎上降低了功耗，簡化了結構。

關鍵詞:無源毫米波; TMS2812; 掃描; 數據采集

中圖分類號:TN911-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0010-04

Design of Passive Millimeter Wave Imaging System

YAO Xin， WU Jin

(Wuhan University of Science Technology， Wuhan 430081， China)

Abstract: With the maturation and development of microwave technology， millimeter wave (MMW) has become a very important technique in military， daily life and medical science due to its advantages of less disturbance from environment and availability in all-weather. The hardware system of traditional MMW scanning and data-collecting control is redundant in component-using， complicated in structure， too much in power-consumption， too expensive in cost， not good in updating and miniaturization. Based on introducing the principle of MMW， the passive millimeter wave imaging system with TMS2812 DSP chip as the controller， including the system structure of front-end equipments， the following parts selection and the construction of system are studied. This system effectively overcomes the shortages of traditional system， reduces the power-consumption， and simplifies the structure on the basis of function-realization.

Keywords: passive millimeter wave; TMS2812; scanning; data collection

0 引 言

自然界中所有物體都能夠發射出電磁波，毫米波就是眾多電磁波中的一種，它的波長在1~10 mm之間，頻率在30~300 GHz之間[1]。從Maxwell提出電磁波理論起，人們就認識到了毫米波存在，但是由于時代和技術條件的限制，毫米波技術在一段時間內進步緩慢，盡管如此，經過無數科學工作者長時間的不懈努力，如今根據毫米波特性而制造出的儀器設備越來越普及，各種毫米波輻射計也被廣泛應用[2]。毫米波輻射計很大的特點是自身不發射輻射，完全根據接收到物體發出的毫米波進行檢測。在毫米波頻域內，不同物體的電磁波發射率差異非常的大，這樣，根據普朗克黑體溫度定律，目標物體與背景的亮度溫度差異十分明顯，根據這一點，可以很容易地將目標物體與背景分離開來，經過加工就可以得到人們所需要的檢測結果[3]。

1 毫米波特點

在毫米波技術發展之初，微波、紅外技術已經有了比較成體系的理論體系，毫米波技術之所以在近些年受到了人們的格外重視，被大力地研究和發展，是因為其優于微波和紅外的特性。毫米波的頻譜介于微波和紅外之間，導致毫米波的波長長于紅外短于微波，那么與微波相比，毫米波有了比較高的角分辨率;與紅外相比，毫米波在大氣窗中云、霧、煙塵等惡劣氣候時的衰減度遠小于紅外，換言之，毫米波比紅外更不易受到氣候條件的影響，更適合全天候工作，而且毫米波探測中由于接收到的電磁波輻射只是目標物體本身的電磁波輻射和部分天空反射的電磁波輻射，在一定的時間段內天空的溫度是基本不變的，所以毫米波比紅外更不容易受到溫度波動的影響。在應用上，毫米波器件體積小，成本低，性能好，可靠性高，便于批量生產，而且毫米波多用于無源探測，電磁污染小。毫米波在當今軍事、醫學、氣象、生活，安全檢測等方面優點已經越來越明顯，與已經比較成熟的紅外微波技術相結合，給人們帶來了越來越多的便利[2-4]。

2 無源毫米波成像系統硬件系統研究

隨著科學界對毫米波技術的不斷創新和研究，同時也為了滿足人們不斷多樣化的需求，毫米波成像系統的結構也出現了多元化的趨勢，但是，萬變不離其宗，追根究底如今各異無源毫米波成像系統是從一套基本的系統構架衍生出來的。無源毫米波成像系統一般是由前端接收聚焦天線、毫米波輻射計、運動電機掃描系統、A/D轉換器件、控制部件、通訊部件、數字圖像處理部件、圖像顯示部件等部分組成[4-5]。通常前端聚焦天線使用卡塞格倫天線;由于如今毫米波集成電路芯片已經比較成熟，毫米波輻射計一邊使用全功率檢波輻射計;運動電機掃描系統包括支架與運動電機，為了省去后期的偏焦校準工作，一般將聚焦天線和輻射計保持最優距離固定到支架上完成一次單點(或單塊)掃描。目標發出的毫米波輻射經過卡氏天線聚焦被輻射計接收，并轉化成相應的電壓輸出，一個方位上接收到的輻射信息是有限的，控制部件控制運動電機進行位移，實現多方位的輻射接收，從而形成一個圖像信息點陣(或塊陣)，然后控制部件控制各點/塊信息、A/D采樣并轉化成為邏輯數值經通訊口傳入數字圖像處理部件進行加工，并顯示出來[4，6-7]。結構如圖1所示。

圖1 無源毫米波成像系統結構圖

2.1 基于DSP芯片TMS2812的無源毫米波成像系統器件選擇

系統選用卡塞格倫天線，卡塞格倫天線是用兩個弧面鏡將毫米波輻射信號經過2次聚焦于毫米波輻射計(饋源天線)位置[8-9]。工作方式圖如圖2所示。

圖2 卡塞格倫天線工作方式圖

本系統輻射計選用FARRAN公司出品的94 Hz成像前端，端口采用直接檢波結構。電磁輻射通過一個喇叭天線在輸入端被接收，通過2個低噪聲放大器，傳給一個0偏置Schottky探測器，然后通過一個功率放大器從輸出端輸出[10]。結構框圖如圖3所示。其參數如表1所示。

圖3 FARRAN 94 Hz成像前端結構框圖

表1 FARRAN 94 Hz成像前端參數表

參數數值范圍

頻率75~100 GHz

增益50 dB

噪聲指數3.5 dB

靈敏度1 200 mV穩態電壓

功率55 mA，+5 V

系統采用TI公司出品的TMS2812 DSP芯片作為核心控制部件控制信號的采樣，A/D轉化，系統掃描等，之所以采用TMS2812芯片，是由于系統需要進行A/D轉換功能，而在精度要求不是十分嚴格的情況下，TMS2812芯片自帶的A/D轉化模塊可以縮短硬件成本，提高系統集成度;TMS2812芯片正常工作時所需的內核電壓為18 V，I/O電壓為33 V，本系統選用了TI公司的一款雙輸出變壓芯片TPS70151，提供一個5 V的邏輯高電平電源，將其轉化成為18 V和33 V的兩個電壓帶動TMS2812芯片的正常工作。掃描控制方面，選用了2個步進電機控制芯片33886，分別控制橫向掃描和縱向掃描，以實現圖像信息陣列的構成。通訊口采用TI公司出品的串口通訊芯片MAX232，這款芯片性能比較穩定，5 V電源供電即可，在設計中使用得較多。通訊口直接連接到計算機進行數字圖像處理，并經過計算機顯示器進行最終結果的現實，圖像處理系統采用VC++編制，通過VC++的OnComm控件與串口進行數據通信，從而達到數據收發的結果，本文主要研究下位機系統的搭建，PC上位機的部分暫不做過多的介紹[4-5]。

2.2 基于DPS芯片TMS2812的無源毫米波成像系統搭建

在選定了系統構成的基本元件之后，按照流程搭建系統，一般來說，選用控制芯片作為核心進行功能實現和接口擴展，第一步是進行以選定芯片為核心的最小系統搭建，也就是在芯片周邊搭建起電源，抗阻抗容等邊緣電路，使得芯片得以正常工作，之后再通過芯片的I/O引腳輸出信號控制外部擴展的各芯片進行功能的實現。

2.2.1 無源毫米波成像系統最小系統搭建

系統選定了TMS2812作為控制核心，那么首先需要在TMS2812周邊搭建起最小系統，以便之后的功能擴展。最小系統的工作需要有一定的驅動時序，TMS2812處理器的片上晶振和鎖相環模塊為內核及外設提供時鐘信號，并且控制器件的低功耗工作模式，允許使用內部振蕩器或外部時鐘源兩種方式為CPU提供時鐘信號。這里為了節省硬件資源，采用內部震蕩方式，也就是在TMS2812的X1/XCLKIN和X2引腳之間加上一個石英晶體，一般選用30 MHz，為了防止器件的電偶干擾，可以在石英兩端和GND之間各接一個電容[11-12]。

為了控制TMS2812的鎖相環電路工作方式，需要向TMS2812的XF_PLLDIS引腳加入一個邏輯電平信號，本系統將33 V電壓(TPS70151輸出)通過雙向開關電路接入XF_PLLDIS，若33 V支路閉合，則鎖相環開啟，可通過PLL編程寄存器調整倍頻系數，若GND支路閉合，則直接將外部晶振作為系統時鐘。TMS2812 GPIO端口主要通過4個引腳上電復位過程中所處的狀態確定選擇用哪種方式啟動。本系統就是采用了FLASH作為固化引導程序的存儲器，通過設置引腳輸入電平，選擇TMS2812工作在FLASH引導模式的，要工作在這個引導模式，系統還需要將處理器配置為微計算機模式，也就是要在上電復位過程中XMP/MC需要置為低電平。將TMS2812處理器設定為FLASH啟動模式，系統上電復位后會直接跳到DSP內部的BOOT-ROM起始地址，該地址讀取執行跳轉指令到引導代碼，完成基本的初始化任務和引導模式的選擇，如果GPIO-SCITXDA為高電平，PC指針直接跳轉到FLASH引導地址，然后再跳入FLASH引導程序，啟動TMS2812進入工作。為了從硬件上人為控制TMS2812芯片的啟動模式，系統設置了一組雙向開關，分別連接到TMS2812芯片的一組控制引腳上，再設置一個單獨的雙向開關用于控制XMP/MC引腳輸入的電平高低，從而控制TMS2812核心在微處理器和微計算機工作模式之間進行切換，開關連接高電壓為33 V[1-2]。

2.2.2 無源毫米波成像系統電機掃描控制模塊

在電機的驅動和控制方面，系統采用了芯片33886，該芯片可以為直流步進電機提供雙向驅動，從而控制探測頭的掃描方向，由于要對電路進行橫向和豎向的掃描，從而形成圖像點陣，這樣系統需要兩個33886芯片，33886直流電機驅動控制芯片系統連接圖如圖4所示。

圖4 33886直流電機驅動控制芯片系統連接圖

33886芯片的輸入口IN1和IN2連接到TMS2812的PWM輸出口，由于33886芯片起到H-Bridge的作用，IN1和IN2對應的兩個輸出口OUT1和OUT2輸出與IN1和IN2一致的電平電壓，也就是說當IN1和IN2端輸入了PWM波為高電平時，OUT1和OUT2也輸出高電平，反之亦然。這樣通過設置兩個輸入端的PWM時序，使得OUT1與OUT2處于相反的電平狀態(OUT1輸出高電平時，OUT2輸出低電平，如果同時高或者同時低那么無電流，電機不運動)。這樣，在直流電動機產生不同方向的兩種電流，從而驅動直流電機向不同的方向移動。D1，D2是兩個控制口，控制了33886芯片工作與否(D1高電平有效，D2低電平有效)，本系統兩個端口都置成有效，僅通過輸入電壓的時序控制控制電流產生。TMS2812輸出的PWM波為33 V高電平，無法驅動33886產生電流(需要+30 V或-30 V的驅動電壓)，需要放大。系統通過添加一個LM358電壓放大芯片來做電壓放大，LM358通過INx+和INx-兩個輸入端的電壓差經過放大電路產生輸出電壓(本系統而言，將PWM輸出連到INx+，INx-接12 V電壓，放大后可輸出30 V電壓)，而且經過測試在33886的V+端需要輸入24 V的驅動電壓才可以使芯片正常工作，系統使用另一個LM358，正向輸入接5 V電壓源，負向輸入接3.3 V電壓可放大產生24 V電壓[4-5]。

2.2.3 無源毫米波成像系統串口通信功能模塊

系統通過串口驅動接口芯片MAX232控制串口通信，MAX232輸入電壓高電平至少要2 V，低電平最多0.8 V，TMS2812的輸出電平基本可以滿足這個條件，不用做太多的改動。輸出方面，由于串口的通用電平時為+12 V或者-12 V，這樣，需要對MAX232的C1+，C1-，C2+，C2-，V+，V-進行相應的外部電路搭建組成適合的電荷泵電路，一般來說，MAX232的C1+，C1-，C2+，C2-引腳需要接1 μF的電容，V+和V-需要外接5 V電源。MAX232有2組數據通信通道，通道只需要與PC進行通信，選用其中一組與TMS2812和串口連接。TMS2812芯片有專設的SCI(串行通信接口)用于串口通信，將它的SCI-B通訊通道的數據發送口GPIO-SCITXDB口與MAX232的T1數據發送通道輸入口T1IN連接，對應的將T1數據發送通道T1OUT與串口2腳相連。在數據接收方向上，串口3腳與MAX232的R1數據接收通道輸入口R1IN相連，其R1OUT與TMS2812的SCI-B通訊通道的數據接收口GPIO-SCIRXDB相連。這樣數據從TMS2812輸出通過MAX232從串口輸入PC和反向的PC數據輸入功能就實現了[4-5]。TMS2812與MAX232的連接圖如圖5所示。

圖5 TMS2812與MAX232連接圖

2.2.4 無源毫米波成像系統邏輯電源電壓轉換模塊

如前系統概述所說，系統需要有3.3 V，1.8 V的電壓分別驅動TMS2812的I/O和內核工作，而且如上介紹之后這兩個電壓也在別的電平轉換或者驅動芯片中有所應用，但是，系統只提供一個5 V的直流電源，這樣33 V和18 V這兩個電壓要有專門的電平轉換芯片來產生，如概述提到的，系統選用TI公司的變壓芯片TPS70151來實現。該芯片有兩個電壓轉換通道分別輸出3.3 V和1.8 V的電壓。TPS70151的片選EN在本系統中永遠處于低電平，一直處于選中狀態，輸出上電模式選擇引腳也長期置低，使得3.3 V的I/O電壓先上電，1.8 V的內核電壓后上電，這樣可以使得TMS2812的工作穩定，兩個通道的輸入VIN1，VIN2都接5 V的電壓源，VOUT1輸出33 V，VOUT2輸出18 V，VSENSOR1/FB1和VSENSOR2/FB2分別作為VOUT1和VOUT2的回饋輸入口，使輸出電壓更穩定。MR1，MR2分別為轉換通道1和轉換通道2的人工復位口。PG1為通道1的自動輸出口，其作用是在VOUT1的輸出電壓低于55%的正常輸出電壓時自動置低，將PG1連接到MR2，這樣只要讓通道1復位就可以控制整個TPS70151芯片復位，而且可以控制TMS2812的I/O先下電，而后才使TMS2812的核心下電。TPS70151復位之后會從RESET輸出低電平復位信號，信號輸出到TMS2812的XRS，這樣便可以使TMS2812芯片復位。MR1的輸入信號控制只要在VCC5與其之間加一個電子開關就可以進行輸入控制。

圖6 TPS70151的系統連接圖

至此，整個圖像掃描數據采集系統的硬件連接基本完成，當然為了防止元件之間的電偶電壓干擾，在器件的周圍需要搭建一些抗擾電容，這里不一一進行介紹。系統硬件搭建完成之后，需要在軟件上對TMS2812的寄存器進行設置，首先設置定時器的分頻模式，使其產生一定頻率的標準定時脈沖，在此基礎上通過設置TMS2812ADC的采樣周期，使其滿足奈奎斯特采樣定律，而且在以標準定時脈沖為單位的條件下設置通用定時器的相關寄存器，使TMS2812的通用I/O口可以輸出要求的驅動PWM脈沖，這就形成了驅動外部芯片進行工作的定時脈沖，注意，需要保持ADC的采樣脈沖與PWM脈沖保持一致，這樣才能比較好地采集到數據。這樣，整個系統就被激活了，然后通過對輸入到PC上保存的圖像數據進行一定的算法分析和圖像重建和增強，最后達到毫米波數據采集后臺成像的目標。

3 結 語

系統采用的芯片都屬于低功耗部件，而且TMS2812自帶的ADC模塊使得傳統信號采樣系統的控制與采集轉換部件分離的模式得到改善，有效地節省了硬件資源，更進一步降低了功耗。通過使用TPS70151雙輸出電壓轉換芯片和LM358兩種電源轉換芯片，簡化了電源數量，僅提供一個5 V的電源就可以完成所有電子芯片元件的驅動和電平匹配，簡化了系統結構，克服了傳統毫米波成像系統的缺點。

參考文獻

[1]紀如霆.被動毫米波成像技術研究[D].南京:南京理工大學，2005.

[2]錢嵩松，李興國.被動毫米波成像綜述[J].制導與引信，2003(4):29-33.

[3]袁龍.被動毫米波成像技術研究[D].成都:西南交通大學，2004.

[4]張光鋒，李興國，婁國偉.基于交流輻射計的被動毫米波成像研究[J].紅外與毫米波學報，2007，26(6):461-464.

[5]顧銘.基于DSP的被動毫米波成像處理器研究[D].南京:南京理工大學，2007.

[6]SATOM， HIROSE T，OHKI T， et al. 94 GHz band high-gain and low-noise amplifier using InP-HEMTs or passive millimeter wave imager[J]. IEEE， 2007， 41(2): 181-189.

[7]CAO Zhou， TANG Xiaohong， YAN Yu. Low phase noise 92 GHz phase-locked source for passive millimeter wave imaging system[J/OL]. [2008-12-19]. http://www.blog.sina.com.cn/s/blog_5cdb337a0100br3g.html.

[8]孫偉新.毫米波天線[J].電訊技術，1993，33(2):75-82.

[9]陳海波，何國瑜.前饋卡塞格倫緊縮場設計與檢測[J].北京航空航天大學學報，2005，31(11):1181-1184.

[10]Farran Technology Ltd.. 94 GHz imaging front end mo-dule[P/OL]. [2009-10-26]. http://www.etfid.uestc.edu.cn/xgwd， 2009.

[11]蘇奎峰，呂強，常天慶，等.TMS320X281x DSP原理及C程序開發[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.

[12]蘇奎峰，蔡昭權，呂強，等.TMS320X281x DSP應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.