基于FPGA的微波辐射计数控系统设计与实现

其中，总线控制模块包括初始化配置模块、数据传输模块和中断处理模块。数据传输模块负责与远程计算机传输科学数据包，包括定标数据、科学数据和温度数据；中断处理模块负责传输工程遥测包的数据注入和内部指令注入，分别存入相应的数据缓冲区并设置相应的标志位，控制微波辐射计各部分运行状态。

天线驱动模块负责执行总线控制模块传输的各种天线控制指令，同时读取天线状态字和天线角编码，并存入数据缓冲区，等待下传。

数据采集模块为多路选择器提供地址信号，并为A/D转换器提供片选信号，控制数据采集电路工作，同时依次采集科学数据和温度数据，并在一个周期后打包下传。

AGC模块依据数据采集电路采集的热源和冷源的定标数据，按照AGC调节标准调整AGC值，使冷源输出下限为3.3 V，热源输出上限为4 V。AGC调整方式为步进式调整，调整步长为5 mV，系统工作在最佳状态后，将调整后的AGC值与科学数据包共同打包下传。

系统上电后进行初始化，为防止系统上电时复位不充分，系统上电后进行3 s的延时，然后进行系统初始化，顺序依次为内存、外存、I/O端口[4]。程序中使用的以及需要预设初值的所有变量都要进行初始化，不使用的内存地址同时初始化为00H。

初始化后按照天线对定标区和目标观测区的扫描时序进行观测。每个观测周期的观测顺序为：热源定标→冷源定标→目标观测→热源定标。同时通过执行内部注入指令对系统工作状态加以控制，FPGA工作流程如图7所示。

3 数控系统仿真与调试

本文选用Mentor公司的Modelsim HDL仿真软件和Xilinx公司的Chipscope FPGA片上逻辑分析仪对系统软件和硬件进行了实际仿真，通过Xilinx ISE开发环境中生成的测试激励文件Testbench，可以无缝连接Modelsim仿真工具，测试结果满足系统要求。

图8为Modelsim仿真的冷源定标和AGC值存储部分波形图。

Modelsim仿真有2种激励输入方式，一种是传统的波形输入，另一种是通过编写代码，对输入产生预定的激励，这种方式能够产生更为复杂的激励，提供更高的功能覆盖率，并且可移植性更好，验证速度更快[5]。

本文设计了一个对整个FPGA模块进行测试的Testbench，模仿了A/D芯片采集的数据，可以验证定标过程中生成AGC调整值的准确性和存储器读写科学数据和定标数据的准确性。冷源定标过程中，程序首先为多路选择器提供地址信号addrch和addrte，依次对接收机10个通道进行数据采集。当冷源输出adout小于3.3 V，转换为步长即2A7E时， 程序将逐步减小AGC调整值，并通过D/A片选信号csa和csb送入D/A转换器，直到冷源输出高于2A7E时，将冷源定标输出和AGC调整值存入RAM中。结果表明，FPGA各模块工作正常，符合设计要求。

本文结合微波辐射计工程实现的要求，讨论了微波辐射计的数据处理与控制系统的原理，并采用现场可编程门阵列(FPGA)实现了该数控系统的硬件设计和FPGA模块设计，进行了部分模块的功能仿真和时序仿真，通过了系统调试仿真验证，达到了设备小型化的设计目的；同时，采用FPGA进行设计，提高了程序的可移植性，并通过了可靠性和稳定性的分析设计，从而能够有效保证系统稳定可靠地工作。

参考文献

[1] Jorgen Pihlflyckt.Control and measurement system for multi-channel microwave radiometer[C/OL].Russia：Helsinki University of technology，2007-02-12.http：//lib.tkk.fi/Dipl/2007/urn007760.pdf.

[2] 黄莹珠.基于FPGA技术的微波湿度计数据处理与控制单元的设计与仿真[D].北京：中国科学院研究生院，2007.

[3] 孙茂华，郑震藩，张升伟，等.风云三号卫星微波湿度计数据处理与系统控制的冗余设计方案[J].遥感技术与应用，2007(2).

[4] 段吉海，黄智伟.基于CPLD/FPGA的数字通信系统建模与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[5] 薛小刚，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD设计指南[M].  北京：人民邮电出版社，2007.