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多频段微波辐射计数据采集与系统控制单元设计与研制

作　者: 张瑜
导　师: 张升伟
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 微波辐射计数据处理系统控制 FPGA
分类号: TP73
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

多频段岸基微波辐射计是海上平台海洋遥感定标与检验的关键现场观测设备之一。数据采集与系统控制单元是多频段岸基微波辐射计的重要组成部分,它对微波辐射计系统工作模式进行控制,完成对信号的采集和数字化处理,并根据数据处理结果调整系统工作状态,通过异步串行通信接口与远程计算机系统进行通信。本文的主要内容包括:(1)阐述了微波辐射计进行海洋动力环境探测的工作机理,简要介绍了多频段岸基微波辐射计的系统构成及技术要求,完成了辐射计接收机调试与系统指标测试,接收机线性度达到0.9999以上,非线性误差小于0.6K,接收机灵敏度小于0.2K,满足设计要求;(2)针对岸基微波辐射计实时定标的要求,完成了基于铂电阻传感器的高精度温度测量单元的设计与技术实现,实现了对微波辐射计系统内部环境温度的精密检测,标定结果表明高精度温度测量单元误差温度小于0.015K,多路温度测量之间的一致性小于0.01K,为提高辐射计系统定标精度提供了技术保障;(3)完成了多频段微波辐射计数据采集与系统控制单元的设计与技术实现,通过对数据采集、AGC控制、工作状态控制以及远程通信控制等功能及性能需求的分析,提出了基于FPGA技术的数据采集与系统控制单元的设计方案;详细描述了FPGA模块设计的硬件层次结构和设计过程,以及应用软件的设计方案和程序流程;最后,利用Modelsim仿真工具和Chipscope在线逻辑分析仪对数控单元逻辑时序进行仿真调试,实现了多频段微波辐射计系统的数据采集与系统控制功能,为岸基辐射计系统集成奠定了基础。相对于传统的设计方案而言,本文采用FPGA技术减少了器件数量,优化了电路结构,集中供电、统一数控管理的设计方案有利于提高系统的集成度和可靠性;同时通过丰富的FPGA资源实现了系统低功耗和小型化设计,系统易实现、易移植,具有较强的适应性和扩展性,满足了多频段海洋岸基微波辐射计的各项功能要求。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-19
  1.1 课题背景  15
  1.2 课题目的及意义  15-16
  1.3 数据采集与系统控制单元的技术实现及发展方向  16-17
  1.4 论文组织结构  17-19
第2章多频段微波辐射计系统研制方案  19-36
  2.1 前言  19
  2.2 多频段岸基微波辐射计系统性能指标  19-20
  2.3 多频段岸基微波辐射计系统构成  20-23
  2.4 岸基微波辐射计功能单元设计方案  23-30
    2.4.1 天线单元  23
    2.4.2 接收机单元  23-25
    2.4.3 扫描机构单元  25-27
    2.4.4 定标单元  27-29
    2.4.5 温度测量单元  29
    2.4.6 数据采集与系统控制单元  29-30
    2.4.7 电源单元  30
  2.5 岸基微波辐射计可靠性设计  30-32
    2.5.1 功能单元的可靠性设计  31
    2.5.2 电磁兼容的可靠性设计  31-32
    2.5.3 环境适应性  32
  2.6 关键技术及解决方案  32-36
    2.6.1 定标技术  32-33
    2.6.2 辐射计结构布局  33-36
第3章测温电路单元设计与实现  36-54
  3.1 前言  36
  3.2 高精度测温电路硬件设计  36-38
  3.3 高精度测温电路单元标定及测试结果  38-53
    3.3.1 标定方法及步骤  38-39
    3.3.2 测温精度试验结果  39-52
    3.3.3 多通道温度测量的一致性  52
    3.3.4 测温电路不同引线长度交叉验证  52-53
  3.4 小结  53-54
第4章多频段微波辐射计系统数控单元需求分析  54-68
  4.1 前言  54
  4.2 数据采集与系统控制单元工程实现需求分析  54-63
    4.2.1 数据采集部分  54-57
    4.2.2 系统开关控制部分  57-59
    4.2.3 自动增益控制（AGC）部分  59-60
    4.2.4 天线驱动控制部分  60-61
    4.2.5 串行通信部分  61-63
  4.3 数据包协议与结构  63-68
第5章数据采集与系统控制单元硬件设计  68-86
  5.1 前言  68
  5.2 数据采集与系统控制单元总体设计方案  68-69
  5.3 FPGA技术与开发板  69-71
  5.4 硬件电路设计  71-85
    5.4.1 数控单元接口设计  72-74
    5.4.2 电平转换电路  74-76
    5.4.3 数据采集电路  76-79
    5.4.4 AGC电路  79-81
    5.4.5 系统开关控制电路  81-83
    5.4.6 通信接口电路  83-84
    5.4.7 天线驱动控制电路  84-85
  5.5 小结  85-86
第6章数据采集与系统控制单元软件设计  86-103
  6.1 前言  86
  6.2 FPGA内部时钟设计  86-90
    6.2.1 DCM使用  87-88
    6.2.2 全局时钟资源  88-90
    6.2.3 时钟设计注意问题  90
  6.3 软件信息流程  90-102
    6.3.1 系统控制模块  91-92
    6.3.2 数据采集（ADsample）与AGC模块  92-95
    6.3.3 数据存储模块  95-97
    6.3.4 数据通信模块  97-101
    6.3.5 FPGA逻辑综合与适配  101-102
  6.4 小结  102-103
第7章多频段微波辐射计系统调试与测试结果  103-137
  7.1 前言  103
  7.2 仿真与调试系统介绍  103-106
    7.2.1 仿真调试工具  103-105
    7.2.2 调试系统组成  105-106
  7.3 数控单元仿真与调试  106-112
    7.3.1 激励文件与Modelsim功能仿真  106-109
    7.3.2 Chipscope Pro时序仿真  109-112
  7.4 多频段微波辐射计系统定标与测试  112-136
    7.4.1 定标调试步骤  112-113
    7.4.2 线性度测试结果  113-130
    7.4.3 系统灵敏度测试结果  130-136
  7.5 小结  136-137
第8章结论  137-139
  8.1 论文内容总结  137-138
  8.2 工作内容展望  138-139
参考文献  139-142
发表文章及专利  142-144
致谢  144

多频段微波辐射计数据采集与系统控制单元设计与研制

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