多通道并行可程控遙感數據采集系統

白 玉,李欣欣,王 豪,程利甫,劉建鋒

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

0 引言

微波成像儀是一種被動式無源微波遙感器,可以全天時、全天候對大氣、海洋和陸地進行觀測[1]。在觀測過程中,微波輻射能量經反射面進入饋源,再經過接收機轉換為電壓信號后,輸出給遙感數據采集系統[2]。系統將模擬信號轉換為數字信號,利用FPGA控制多路通道的信號采集,來對外界進行遙感。

在數據采集系統中,有多種方法可以實現多通道信號采集功能。有人通過使用FPGA來控制模擬開關的地址切換(不同模擬地址對應不同通道信號),對不同通道的信號進行采集,即用一個AD(模數轉換器)芯片來采集多通道信號的方法[3]。這種方法節約硬件電路,降低成本，但對所有通道信號采集一遍花費時間長,通道數目越多、時間越長。有人通過使用具有多路通道輸入的AD芯片,將這些AD芯片采取串并結合的方式,來實現對多通道信號并行采集的功能[4]。此方法同步性比較好,但是在擴展通道數目的過程中,需要增加AD芯片數量。也有人設計出基于TIADC(并行時間交替采樣技術)的多通道并行采集系統,利用多個AD對一路輸入信號進行采樣、重組序列[5]。該方法常見被測試、測量設備使用，但此方法會造成通道、增益誤差[6],需要進行調整。本文設計的數據采集系統應用于微波成像儀,其系統的采樣間隔時間影響微波成像儀的空間分辨率[7]。為了提高空間分辨率,對系統提出多通道并行采集、采樣起始時間和采樣間隔時間可控的要求。本文針對現有系統中無法控制各通道采集起始時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據采集系統。

1 傳統遙感數據采集系統

在傳統遙感數據采集系統設計中,采用順行的方法進行采集。通過FPGA控制模擬門的地址,根據不同地址,選擇一路信號輸出給AD芯片進行采集。采完一個通道信號后,切換模擬地址,順行采集下一個通道的信號，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

此方法節約成本,減少重量,可對多路信號采集,也方便擴展采集通道數,但不能對多通道信號并行采集。

2 多通道并行程控遙感數據采集系統

2.1 硬件設計關鍵電路

整個遙感數據采集系統,其硬件設計原理框圖如圖2所示。

2.1.1信號調理電路

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

圖2 系統硬件設計原理框圖Fig.2 System hardware design principle block diagram

圖3 信號調理電路Fig.3 Signal conditioning circuit

2.1.2遙感采集電路

考慮到需要對每一通道的采樣間隔時間進行控制,因此遙感采集電路是采用完全并行采集的設計。在此電路中,選用具有16 bit轉換精度、采樣率200 Kbps、采集信號輸入量程為-10～+10 V、逐次逼近型的AD976A芯片。將接收到十六進制的遙感數據轉換為十進制數字A。其中A和電壓V之間的轉換關系為:

(1)

(2)

2.1.3差分信號收發電路

使用差分信號作為數據傳輸的通道,具有抗干擾能力強,有效抑制EMI和產生精準時序的作用,可靠性比較高。其單端信號轉換為差分信號是通過使用DS26C31、DS26C32芯片。DS26C32芯片用于設計接收電路,DS26C31用于差分信號發送電路。

控制DS26C31芯片工作的使能信號RC_422由上電復位電路控制。當系統上電后,由于電容處于充電狀態,MA_RC_IN信號此時為高電平,在反相器中對應輸出MA_RC_422信號此時為低電平。當電容充電完成后,電路處于通的狀態,此時,MA_RC_IN信號為低電平,MA_RC_422信號為高電平。原理如圖4所示。

圖4 上電復位電路Fig.4 Power on reset circuit

2.2 軟件設計關鍵功能與模塊

通過FPGA實現對遙感、定標數據進行采集、存儲、傳輸的過程,控制多路通道并行采集,并對遙感數據采集系統中每個通道的工作時序進行控制,如圖5所示。

對于FPGA的設計,采用把整個大功能往下分成小的功能模塊的方法。整個FPGA架構如圖6所示。

先把各個整個功能分為兩大部分:一部分為對通道采集時間的控制,主要實現在不同工作模式下,分別對定標數據、遙感數據的采集時序控制；另一部分是對遙感通道采集,以及數據的傳送功能。

2.2.1起始脈沖濾波功能

起始脈沖的作用是當其為低脈沖時,啟動遙感通道開始工作。為了防止上電后,FPGA收到誤脈沖信號,產生一個錯誤控制請求。采用給起始脈沖濾波的技術,將收到的脈沖信號進行濾波整形。其原理是對收到的I_PULSE信號進行判別,令狀態寄存器FITER初始狀態為X“F”。當I_PULSE是持續一段時間的高電平或者低電平,此時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多端口訪問隨機存取存儲器(RAM)功能

在對通道數據進行存儲時,其核心是解決多個通道數據同時對RAM進行讀寫、存儲的問題。通過設計一個RAM IP核來實現上述功能。在此RAM IP軟核中,依據RAM芯片工作時序進行設計,既可以作為連接實際芯片工作的模塊,也可以作為通用IP 軟核,允許多個端口進行讀寫訪問。此RAM 模塊可以依據自身實際需求,對端口數量進行擴展或者減少,同時此模塊的地址數量也可改變。對于各端口訪問的優先級順序,依據每個端口訪問RAM的頻繁程度來進行確認。優先級的級數Y計算方法如下,假設系統時鐘周期時間為TCLK,訪問一次RAM的時間為TMIN,優先級級數最高的端口,訪問RAM時間間隔為TMAX：

TMIN=3TCLK

(3)

(4)

模塊的仿真波形如圖8所示。

圖8 多端口同時訪問RAM時序圖Fig.8 Multi port simultaneous access to RAM sequence diagram

每個信號經采集一次后轉換為16 bit數據,按高低字節順序存入RAM中。由于RAM數據位為8 bit,每次采集往RAM中寫要兩次。每個訪問端口都有5個信號,分別為訪問請求信號、寫信號、工作模式信號、地址信號、數據信號。當訪問請求信號為高電平時,此端口開始訪問RAM。

2.2.3對RAM讀寫控制功能

在數據傳輸過程中,對RAM進行正確可靠的讀寫操作,也是非常重要的一環。對RAM進行寫操作的原理是:當收到AD芯片采集完成后的READY信號和數據,此時判斷起始脈沖信號是否為低脈沖；若是則寫地址按照提前規劃的位置進行寫操作,若不是則地址繼續累加。這是按照每一個通道的數據存儲在同一塊區域的原則,來劃分每一個通道的存儲地址空間。

在對RAM進行讀操作時,先判斷所有通道數據是否已經采集結束。若是,開始給發送模塊一個啟動信號。發送模塊按照規定的數據傳輸速率,同步發送出去。

2.2.4注數指令接收功能

對于注數指令的接收,是通過異步422差分信號電路、按照422協議進行接收。為保證數據正確性,在接收數據包中,設置包頭。以包頭作為接收數據的判斷。對于此模塊可以按照不同的速率進行接收。其速率的改變,通過設置其常數DIV_VALUE。其模塊仿真波形如圖9所示。

(5)

圖9 收數模塊仿真波形Fig.9 Receive module simulation waveform

2.2.5采樣起始時間可控與采樣間隔可變功能

通過接收注數指令,每個通道確定采集起始時間。控制AD芯片采集的啟動模塊接收到起始脈沖信號和采集起始時間后,對此進行判斷,當計數器到達起始時間后,發送啟動信號給AD芯片,控制其采集。

注數指令不光包含各通道采集的起始時間,也包括各通道的采樣時間間隔。時間模塊根據不同工種模式,來確認有不同的采樣點數。將采樣點數發送給控制AD芯片采集的模塊,通過判斷采集次數來結束本周期的采樣循環。

3 試驗結果與分析

在系統進行測試過程中,通過地面測試系統向數據采集系統發送起始脈沖和注數指令,并且將模擬的外界電壓輸入給遙感通道,得到多個通道并行采集時的遙感實驗數據。測試系統將采集到每一包的數據,根據平均值、方差公式計算得出結果,并將每包數據中的采樣點進行繪圖。

圖10是某一數據包內183 GHz通道在采集1 V電壓信號,A(遙感)(V)代表此通道遙感數據平均值,D(遙感)(mV)代表此通道遙感數據方差,MAX為此數據包內該通道所有采樣點的最大采樣值,MIN為此數據包內該通道所有采樣點的最小采樣值。橫坐標代表采樣點數目,縱坐標代表電壓值。

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

在不同工作模式下,當切換為1.7 s工作模式時,各通道不進行采樣,也就是上圖中低電平部分。計算均值和方差時也把這些數據剔除。數據對比如表1所示。

表1 通道采集數據的均值和方差對比

表1在同頻段只選一個通道,且來源為同一包數據的采樣值。在這包數據中給所有通道遙感采集的電壓值都為1 V,冷、熱定標采集數據值均為0.9 V。此表顯示各通道無論是對遙感、冷定標、熱定標數據進行采集,采樣數值的方差很小,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均值圖。圖中橫坐標是包計數,單位為個,縱坐標是電壓值,單位為V。根據冷熱定標數據可以計算最終微波成像儀的靈敏度[8-9]。

圖11 各通道遙感數據均值Fig.11 Mean value of remote sensing data

圖12 各通道冷熱定標數據均值Fig.12 Mean values of cold and heat calibration data

當各通道分別采集不同電壓值時,其中第3 250到3 300包數據,中間通過注數改變采樣間隔時間,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、定標的均值也比較穩定。其余包的數據是改變外界各通道模擬輸入電壓,不改變采樣間隔。

4 結論

本文提出了多通道并行可程控遙感數據采集系統。該系統實現多通道并行采集,采樣起始時間可調、采樣間隔時間可控的功能。試驗結果表明,當各通道并行采集電壓值大小一樣的數據時,方差在0.3 mV左右,比較穩定。在各通道采集不同值時且外界模擬電壓不變情況下,改變采樣間隔前后的

均值也比較穩定。此遙感采集系統的設計適合同類的微波成像儀中。但是,此系統在設計過程中為了實現對每一通道采樣起始時間和采樣間隔可調,使用多片AD,占用較多板子面積。如何節約成本、減少體積和重量、實現小型化,可在后續進一步進行研究。