用MSP430单片机实现微波成像系统的扫描控制与数据采集

文章摘要：● 电源电路除MSP430F149外，其他芯片均需要电源提供+5V的电压才能工作。系统统一外接5V电源，用电压转换芯片EZ1085C-3.3将5V的电压转换为3.3V为单片机供电。系统软件设计● 功能需求及流程微波辐射成像系统的软件部分要完成的功能主要如下。(1)实时进行微波扫描成像，要同时完成控制步进电机以一定的速度旋转；按一定的采样速率采集辐射计输出的电压值；实时在显示器上显示辐射成像系统扫描的场景的伪彩色图像；存储辐射图像到硬盘；打印辐射图像；(2)对已有的辐射图像重现、观察和分析；(3)对辐射计进行定标计算；(4)单独驱动步进电机以不同的方式运动。其中MSP430单片机要完成的工作有：

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● 电源电路
----除MSP430F149外，其他芯片均需要电源提供+5V的电压才能工作。系统统一外接5V电源，用电压转换芯片EZ1085C-3.3将5V的电压转换为3.3V为单片机供电。

----系统软件设计
● 功能需求及流程
----微波辐射成像系统的软件部分要完成的功能主要如下。
----(1)实时进行微波扫描成像，要同时完成控制步进电机以一定的速度旋转；按一定的采样速率采集辐射计输出的电压值；实时在显示器上显示辐射成像系统扫描的场景的伪彩色图像；存储辐射图像到硬盘；打印辐射图像；
----(2)对已有的辐射图像重现、观察和分析；
----(3)对辐射计进行定标计算；
----(4)单独驱动步进电机以不同的方式运动。
----其中MSP430单片机要完成的工作有：接收主机发送的命令参数，利用机内的定时器定时中断，中断处理程序决定是否驱动电机走一步或采样一点；要采样一点，从数据端口读入辐射计接收机的输出信号并进行A/D转换，要驱动步进电机走一步，对片上I/O端口发出一个驱动脉冲。以上的操作周期为毫秒级。单片机与PC机通过串行通信端口进行数据交换。
----程序流程图如图4所示。
● 天线扫描方式选择及实现
----在微波辐射测量中，采用天线主波束扫描可以对所感兴趣的场景实现辐射测量成像。由于辐射计相对场景是固定的，故须采用二维机械扫描。
---- 在二维机械扫描过程中，根据采样方式的不同，通常可以采用两种方式。
----在钟摆扫描方式中，天线如钟摆一样在一维往返扫描，每条扫描线均进行采样，一行扫描完后，天线的另一维抬高一个角度继续扫描下一行，直到扫完全部区域。根据选用哪一维摆动以及回程是否采样，这种方式又以分为4种情况，如图5所示。其中方式a、c均为正程扫描采样，逆程不采样方式，其优点是各行(或列)之间没有机械齿距误差，但成像时间差不多是方式b、d的两倍，而方式b、d则有成像速度快，有齿距误差的特点，不过这种误差比较均匀，可以通过机械校正来弥补。
----在圆周扫描方式中，通常是天线的水平一维以匀速进行旋转，在一定的角度范围内采样，每旋转一周后，纵向一维抬高一个角度。它的机械实现简便，有足够的时间和空间定标，由于扫描过程中不需要来回的加减速与换向过程，故扫描速度会有很大的提高。
----由于两电机的转速，转动时机都不相同，因而保证它们的连续变相就十分重要，否则，电机的转动就不会平稳，容易损坏，因此要有精确的时钟定时装置对系统的电机控制和数据采集部分进行中断操作，才能使两台电机分别或者同时平稳的运行，采样位置准确。在程序中采用了MSP430单片机片内的16位定时器Timer_A进行定时中断，当程序运行时，首先根据主机发送的命令参数计算出扫描和采样所需要的定时时间，然后预置相应的定时器最大计数值(最大不超过65536)，定时器从0计数至最大值时发生中断，进入中断子程序，根据程序设定的标志位mxy判断是水平还是垂直电机转动，如果要控制水平电机，则调用go_stepx(cw,direction_x)函数，该函数读出P1端口前三位，根据其值确定下一相的控制字cw，同时，该函数返回改变后的cw值，可供下一次调用。如果要控制纵向电机，则调用go_stepy(cw,direction_y)函数读出P1端口中间三位，它也返回改变后的cw值，然后驱动电机走一步，执行完毕后返回主程序。当电机走过相应的采样步数后，程序发生中断，进入采样处理程序。

数据采集模块设计
----采样处理程序开始运行时，首先将ADC12控制寄存器中的ADC12SC和ENC置位，将输入信号送入采样保持电路，然后将ADC12SC复位，停止采样，启动A/D转换，将模拟信号转换为12位数字信号并存入选择的转换存储寄存器，单片机通过片内的异步通用串行模块将转换结果送入主机内进行实时成像处理。

结语
----本系统将天线控制及数据采集部分和实时成像部分分离，并且采用了高度集成的MSP430F149芯片，减少了线路损耗，简化了系统结构，从而降低了成本并且提高了系统运行的稳定可靠性。

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