地基气象微波辐射计数控系统的设计与实现

发布时间：2020-06-07 13:08

【摘要】：地基气象微波辐射计可用于获取中小尺度的气象要素,这对于传统的探空方式是一种有效的技术补充。气象微波辐射计的数据采集与控制系统(简称数控系统)是辐射计的一个核心组成部分,它控制着辐射计的接收机、各种地面传感器和恒温装置,监测着系统的工作电源,并与上位机进行通讯。基于气象微波辐射计的工作原理,本文首先讨论不同系统方案,选择以ARM为主、FPGA为辅,且软件上使用μC?OS-Ⅱ作为操作系统的软硬件架构,以适用于具有16通道电压输出、多外设的辐射计。其次,基于硬件设计需求,分别对通讯接口电路、ARM处理器外围电路和FPGA芯片外围电路进行设计。其中,FPGA芯片的外围电路主要为2路8通道的AD7768同时采样芯片,该芯片将采集到的16通路电压输出到FPGA中,再由FPGA以特定的数据格式通过串口发送到ARM中,从而提高了接收机电压的采集效率。紧接着,根据软件功能需求,从底层往上,逐层地对数控系统的软件进行设计,其中包括引导程序、驱动程序、FPGA软件、操作系统以及应用软件设计。操作系统μC?OS-Ⅱ的应用提高了时间利用率,并增强了软件系统的稳定性。最后,在完成软硬件设计后,对软硬件进行实现和调试以排查错误,并对数控系统的各单元以及整体进行测试。经测试表明,本系统实现了各项数据采集与控制功能,且具有良好的稳定性,可很好地满足系统需求。此外,在自检或测量模式下,在约1秒的时间内可由数控系统获取到接收机、地面传感器、恒温温度等所有外设的一组数据,即每约1秒钟上位机可获取1个完整数据包,具有较高的时间分辨率。
【图文】：

图 3-1 一字节的 UART 数据格式RS-232C、RS-422 和 RS-485 是常用的串行通信接口标准。其中，RS-23不平衡的传输方式，即传输的数据位电平是相对于本地的地。此外，输距离可达 25m，传输速率可达 38.4bps[51]。不同于 RS-232C，RS-422输，即它使用双绞线之间的电压差来代表逻辑电平。因此，由于共模抑距离上，RS-422 可达 1200m，而传输速率可达 10Mbps，且抗干扰能力485 是在 RS-422 的基础上演变而来的，它通常用来组建简单网络，使得间可以交换数据。在辐射计系统中，由于一台通用计算机可独立完成对底层数据的处理与对辐射计的控制仅需同一个上位机即可完成。也就是说，数控系统与上是一对一的，无需组建网络，因此可排除RS-485标准的选择。此外，辐在室外无遮挡的环境工作，而上位机则放置于机房等室内环境中。考虑离辐射计的可选范围应当比较大，，且传输速率和误码率也是影响数据传素，RS-422 标准相比 RS-232C 更为适宜。综上所述，本系统选用 RS-4

图 3-2 串口通讯电路信广泛应用于局域网与广域网通讯中。相比串行接口，以太更远。此外，它可连接到交换机或路由器等网络设备，从外的计算机中，具有更多的灵活性。因此，本系统预留了输距离或网络传输等可能需求。控板发送到上位机的数据具有单次数据量少（140 个字节））的特点，10/100Mbps 速率的以太网口即可满足通讯需求N8720A 的以太网芯片，它的体积小巧，供电为 3.3V, 功耗ced Media Independent Interface, 精简的介质无关接口）与 M外，该芯片支持通过串行接口 MDC 和 MDIO 进行 MI 与 RJ45 接口的连接电路如图 3-3 所示。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P407;TP311.52;TN791

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本文编号：2701459