【摘要】：地基氣象微波輻射計(jì)可用于獲取中小尺度的氣象要素,這對(duì)于傳統(tǒng)的探空方式是一種有效的技術(shù)補(bǔ)充。氣象微波輻射計(jì)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱數(shù)控系統(tǒng))是輻射計(jì)的一個(gè)核心組成部分,它控制著輻射計(jì)的接收機(jī)、各種地面?zhèn)鞲衅骱秃銣匮b置,監(jiān)測(cè)著系統(tǒng)的工作電源,并與上位機(jī)進(jìn)行通訊�；跉庀笪⒉ㄝ椛溆�(jì)的工作原理,本文首先討論不同系統(tǒng)方案,選擇以ARM為主、FPGA為輔,且軟件上使用μC?OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu),以適用于具有16通道電壓輸出、多外設(shè)的輻射計(jì)。其次,基于硬件設(shè)計(jì)需求,分別對(duì)通訊接口電路、ARM處理器外圍電路和FPGA芯片外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中,FPGA芯片的外圍電路主要為2路8通道的AD7768同時(shí)采樣芯片,該芯片將采集到的16通路電壓輸出到FPGA中,再由FPGA以特定的數(shù)據(jù)格式通過串口發(fā)送到ARM中,從而提高了接收機(jī)電壓的采集效率。緊接著,根據(jù)軟件功能需求,從底層往上,逐層地對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),其中包括引導(dǎo)程序、驅(qū)動(dòng)程序、FPGA軟件、操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。操作系統(tǒng)μC?OS-Ⅱ的應(yīng)用提高了時(shí)間利用率,并增強(qiáng)了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后,在完成軟硬件設(shè)計(jì)后,對(duì)軟硬件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和調(diào)試以排查錯(cuò)誤,并對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的各單元以及整體進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試表明,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集與控制功能,且具有良好的穩(wěn)定性,可很好地滿足系統(tǒng)需求。此外,在自檢或測(cè)量模式下,在約1秒的時(shí)間內(nèi)可由數(shù)控系統(tǒng)獲取到接收機(jī)、地面?zhèn)鞲衅�、恒溫溫度等所有外設(shè)的一組數(shù)據(jù),即每約1秒鐘上位機(jī)可獲取1個(gè)完整數(shù)據(jù)包,具有較高的時(shí)間分辨率。
【圖文】：

圖 3-1 一字節(jié)的 UART 數(shù)據(jù)格式RS-232C、RS-422 和 RS-485 是常用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。其中，RS-23不平衡的傳輸方式，即傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位電平是相對(duì)于本地的地。此外，輸距離可達(dá) 25m，傳輸速率可達(dá) 38.4bps[51]。不同于 RS-232C，RS-422輸，即它使用雙絞線之間的電壓差來代表邏輯電平。因此，由于共模抑距離上，RS-422 可達(dá) 1200m，而傳輸速率可達(dá) 10Mbps，且抗干擾能力485 是在 RS-422 的基礎(chǔ)上演變而來的，它通常用來組建簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，使得間可以交換數(shù)據(jù)。在輻射計(jì)系統(tǒng)中，由于一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)可獨(dú)立完成對(duì)底層數(shù)據(jù)的處理與對(duì)輻射計(jì)的控制僅需同一個(gè)上位機(jī)即可完成。也就是說，數(shù)控系統(tǒng)與上是一對(duì)一的，無需組建網(wǎng)絡(luò)，因此可排除RS-485標(biāo)準(zhǔn)的選擇。此外，輻在室外無遮擋的環(huán)境工作，而上位機(jī)則放置于機(jī)房等室內(nèi)環(huán)境中�？紤]離輻射計(jì)的可選范圍應(yīng)當(dāng)比較大，，且傳輸速率和誤碼率也是影響數(shù)據(jù)傳素，RS-422 標(biāo)準(zhǔn)相比 RS-232C 更為適宜。綜上所述，本系統(tǒng)選用 RS-4

圖 3-2 串口通訊電路信廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)通訊中。相比串行接口，以太更遠(yuǎn)。此外，它可連接到交換機(jī)或路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從外的計(jì)算機(jī)中，具有更多的靈活性。因此，本系統(tǒng)預(yù)留了輸距離或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)瓤赡苄枨��？匕灏l(fā)送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)具有單次數(shù)據(jù)量少（140 個(gè)字節(jié)））的特點(diǎn)，10/100Mbps 速率的以太網(wǎng)口即可滿足通訊需求N8720A 的以太網(wǎng)芯片，它的體積小巧，供電為 3.3V, 功耗ced Media Independent Interface, 精簡(jiǎn)的介質(zhì)無關(guān)接口）與 M外，該芯片支持通過串行接口 MDC 和 MDIO 進(jìn)行 MI 與 RJ45 接口的連接電路如圖 3-3 所示。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P407;TP311.52;TN791

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本文編號(hào)：2701459