摘 要:隨著微波技術(shù)的日漸成熟和發(fā)展，毫米波以其受環(huán)境干擾小，可全天候工作等顯著特點(diǎn)成為軍事、生活、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要技術(shù)。傳統(tǒng)的毫米波掃描采樣控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)選用元器件較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，消耗功率較大，成本較高，不利于升級(jí)換代和小型化制造。在概括介紹毫米波工作原理的基礎(chǔ)上，主要研究了以TMS2812 DSP芯片為控制核心的無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)前端設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)架，以及之后的器件選用和系統(tǒng)搭建，該系統(tǒng)有效地克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上降低了功耗，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞:無(wú)源毫米波; TMS2812; 掃描; 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào):TN911-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)17-0010-04

Design of Passive Millimeter Wave Imaging System

YAO Xin， WU Jin

(Wuhan University of Science Technology， Wuhan 430081， China)

Abstract: With the maturation and development of microwave technology， millimeter wave (MMW) has become a very important technique in military， daily life and medical science due to its advantages of less disturbance from environment and availability in all-weather. The hardware system of traditional MMW scanning and data-collecting control is redundant in component-using， complicated in structure， too much in power-consumption， too expensive in cost， not good in updating and miniaturization. Based on introducing the principle of MMW， the passive millimeter wave imaging system with TMS2812 DSP chip as the controller， including the system structure of front-end equipments， the following parts selection and the construction of system are studied. This system effectively overcomes the shortages of traditional system， reduces the power-consumption， and simplifies the structure on the basis of function-realization.

Keywords: passive millimeter wave; TMS2812; scanning; data collection

0 引 言

自然界中所有物體都能夠發(fā)射出電磁波，毫米波就是眾多電磁波中的一種，它的波長(zhǎng)在1~10 mm之間，頻率在30~300 GHz之間[1]。從Maxwell提出電磁波理論起，人們就認(rèn)識(shí)到了毫米波存在，但是由于時(shí)代和技術(shù)條件的限制，毫米波技術(shù)在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)步緩慢，盡管如此，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)科學(xué)工作者長(zhǎng)時(shí)間的不懈努力，如今根據(jù)毫米波特性而制造出的儀器設(shè)備越來(lái)越普及，各種毫米波輻射計(jì)也被廣泛應(yīng)用[2]。毫米波輻射計(jì)很大的特點(diǎn)是自身不發(fā)射輻射，完全根據(jù)接收到物體發(fā)出的毫米波進(jìn)行檢測(cè)。在毫米波頻域內(nèi)，不同物體的電磁波發(fā)射率差異非常的大，這樣，根據(jù)普朗克黑體溫度定律，目標(biāo)物體與背景的亮度溫度差異十分明顯，根據(jù)這一點(diǎn)，可以很容易地將目標(biāo)物體與背景分離開(kāi)來(lái)，經(jīng)過(guò)加工就可以得到人們所需要的檢測(cè)結(jié)果[3]。

1 毫米波特點(diǎn)

在毫米波技術(shù)發(fā)展之初，微波、紅外技術(shù)已經(jīng)有了比較成體系的理論體系，毫米波技術(shù)之所以在近些年受到了人們的格外重視，被大力地研究和發(fā)展，是因?yàn)槠鋬?yōu)于微波和紅外的特性。毫米波的頻譜介于微波和紅外之間，導(dǎo)致毫米波的波長(zhǎng)長(zhǎng)于紅外短于微波，那么與微波相比，毫米波有了比較高的角分辨率;與紅外相比，毫米波在大氣窗中云、霧、煙塵等惡劣氣候時(shí)的衰減度遠(yuǎn)小于紅外，換言之，毫米波比紅外更不易受到氣候條件的影響，更適合全天候工作，而且毫米波探測(cè)中由于接收到的電磁波輻射只是目標(biāo)物體本身的電磁波輻射和部分天空反射的電磁波輻射，在一定的時(shí)間段內(nèi)天空的溫度是基本不變的，所以毫米波比紅外更不容易受到溫度波動(dòng)的影響。在應(yīng)用上，毫米波器件體積小，成本低，性能好，可靠性高，便于批量生產(chǎn)，而且毫米波多用于無(wú)源探測(cè)，電磁污染小。毫米波在當(dāng)今軍事、醫(yī)學(xué)、氣象、生活，安全檢測(cè)等方面優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)越來(lái)越明顯，與已經(jīng)比較成熟的紅外微波技術(shù)相結(jié)合，給人們帶來(lái)了越來(lái)越多的便利[2-4]。

2 無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)硬件系統(tǒng)研究

隨著科學(xué)界對(duì)毫米波技術(shù)的不斷創(chuàng)新和研究，同時(shí)也為了滿足人們不斷多樣化的需求，毫米波成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了多元化的趨勢(shì)，但是，萬(wàn)變不離其宗，追根究底如今各異無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)是從一套基本的系統(tǒng)構(gòu)架衍生出來(lái)的。無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)一般是由前端接收聚焦天線、毫米波輻射計(jì)、運(yùn)動(dòng)電機(jī)掃描系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器件、控制部件、通訊部件、數(shù)字圖像處理部件、圖像顯示部件等部分組成[4-5]。通常前端聚焦天線使用卡塞格倫天線;由于如今毫米波集成電路芯片已經(jīng)比較成熟，毫米波輻射計(jì)一邊使用全功率檢波輻射計(jì);運(yùn)動(dòng)電機(jī)掃描系統(tǒng)包括支架與運(yùn)動(dòng)電機(jī)，為了省去后期的偏焦校準(zhǔn)工作，一般將聚焦天線和輻射計(jì)保持最優(yōu)距離固定到支架上完成一次單點(diǎn)(或單塊)掃描。目標(biāo)發(fā)出的毫米波輻射經(jīng)過(guò)卡氏天線聚焦被輻射計(jì)接收，并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓輸出，一個(gè)方位上接收到的輻射信息是有限的，控制部件控制運(yùn)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行位移，實(shí)現(xiàn)多方位的輻射接收，從而形成一個(gè)圖像信息點(diǎn)陣(或塊陣)，然后控制部件控制各點(diǎn)/塊信息、A/D采樣并轉(zhuǎn)化成為邏輯數(shù)值經(jīng)通訊口傳入數(shù)字圖像處理部件進(jìn)行加工，并顯示出來(lái)[4，6-7]。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 基于DSP芯片TMS2812的無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)器件選擇

系統(tǒng)選用卡塞格倫天線，卡塞格倫天線是用兩個(gè)弧面鏡將毫米波輻射信號(hào)經(jīng)過(guò)2次聚焦于毫米波輻射計(jì)(饋源天線)位置[8-9]。工作方式圖如圖2所示。

圖2 卡塞格倫天線工作方式圖

本系統(tǒng)輻射計(jì)選用FARRAN公司出品的94 Hz成像前端，端口采用直接檢波結(jié)構(gòu)。電磁輻射通過(guò)一個(gè)喇叭天線在輸入端被接收，通過(guò)2個(gè)低噪聲放大器，傳給一個(gè)0偏置Schottky探測(cè)器，然后通過(guò)一個(gè)功率放大器從輸出端輸出[10]。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其參數(shù)如表1所示。

圖3 FARRAN 94 Hz成像前端結(jié)構(gòu)框圖

表1 FARRAN 94 Hz成像前端參數(shù)表

參數(shù)數(shù)值范圍

頻率75~100 GHz

增益50 dB

噪聲指數(shù)3.5 dB

靈敏度1 200 mV穩(wěn)態(tài)電壓

功率55 mA，+5 V

系統(tǒng)采用TI公司出品的TMS2812 DSP芯片作為核心控制部件控制信號(hào)的采樣，A/D轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)掃描等，之所以采用TMS2812芯片，是由于系統(tǒng)需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換功能，而在精度要求不是十分嚴(yán)格的情況下，TMS2812芯片自帶的A/D轉(zhuǎn)化模塊可以縮短硬件成本，提高系統(tǒng)集成度;TMS2812芯片正常工作時(shí)所需的內(nèi)核電壓為18 V，I/O電壓為33 V，本系統(tǒng)選用了TI公司的一款雙輸出變壓芯片TPS70151，提供一個(gè)5 V的邏輯高電平電源，將其轉(zhuǎn)化成為18 V和33 V的兩個(gè)電壓帶動(dòng)TMS2812芯片的正常工作。掃描控制方面，選用了2個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制芯片33886，分別控制橫向掃描和縱向掃描，以實(shí)現(xiàn)圖像信息陣列的構(gòu)成。通訊口采用TI公司出品的串口通訊芯片MAX232，這款芯片性能比較穩(wěn)定，5 V電源供電即可，在設(shè)計(jì)中使用得較多。通訊口直接連接到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理，并經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)顯示器進(jìn)行最終結(jié)果的現(xiàn)實(shí)，圖像處理系統(tǒng)采用VC++編制，通過(guò)VC++的OnComm控件與串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而達(dá)到數(shù)據(jù)收發(fā)的結(jié)果，本文主要研究下位機(jī)系統(tǒng)的搭建，PC上位機(jī)的部分暫不做過(guò)多的介紹[4-5]。

2.2 基于DPS芯片TMS2812的無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)搭建

在選定了系統(tǒng)構(gòu)成的基本元件之后，按照流程搭建系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)，選用控制芯片作為核心進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)和接口擴(kuò)展，第一步是進(jìn)行以選定芯片為核心的最小系統(tǒng)搭建，也就是在芯片周邊搭建起電源，抗阻抗容等邊緣電路，使得芯片得以正常工作，之后再通過(guò)芯片的I/O引腳輸出信號(hào)控制外部擴(kuò)展的各芯片進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)最小系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)選定了TMS2812作為控制核心，那么首先需要在TMS2812周邊搭建起最小系統(tǒng)，以便之后的功能擴(kuò)展。最小系統(tǒng)的工作需要有一定的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，TMS2812處理器的片上晶振和鎖相環(huán)模塊為內(nèi)核及外設(shè)提供時(shí)鐘信號(hào)，并且控制器件的低功耗工作模式，允許使用內(nèi)部振蕩器或外部時(shí)鐘源兩種方式為CPU提供時(shí)鐘信號(hào)。這里為了節(jié)省硬件資源，采用內(nèi)部震蕩方式，也就是在TMS2812的X1/XCLKIN和X2引腳之間加上一個(gè)石英晶體，一般選用30 MHz，為了防止器件的電偶干擾，可以在石英兩端和GND之間各接一個(gè)電容[11-12]。

為了控制TMS2812的鎖相環(huán)電路工作方式，需要向TMS2812的XF_PLLDIS引腳加入一個(gè)邏輯電平信號(hào)，本系統(tǒng)將33 V電壓(TPS70151輸出)通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)電路接入XF_PLLDIS，若33 V支路閉合，則鎖相環(huán)開(kāi)啟，可通過(guò)PLL編程寄存器調(diào)整倍頻系數(shù)，若GND支路閉合，則直接將外部晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘。TMS2812 GPIO端口主要通過(guò)4個(gè)引腳上電復(fù)位過(guò)程中所處的狀態(tài)確定選擇用哪種方式啟動(dòng)。本系統(tǒng)就是采用了FLASH作為固化引導(dǎo)程序的存儲(chǔ)器，通過(guò)設(shè)置引腳輸入電平，選擇TMS2812工作在FLASH引導(dǎo)模式的，要工作在這個(gè)引導(dǎo)模式，系統(tǒng)還需要將處理器配置為微計(jì)算機(jī)模式，也就是要在上電復(fù)位過(guò)程中XMP/MC需要置為低電平。將TMS2812處理器設(shè)定為FLASH啟動(dòng)模式，系統(tǒng)上電復(fù)位后會(huì)直接跳到DSP內(nèi)部的BOOT-ROM起始地址，該地址讀取執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令到引導(dǎo)代碼，完成基本的初始化任務(wù)和引導(dǎo)模式的選擇，如果GPIO-SCITXDA為高電平，PC指針直接跳轉(zhuǎn)到FLASH引導(dǎo)地址，然后再跳入FLASH引導(dǎo)程序，啟動(dòng)TMS2812進(jìn)入工作。為了從硬件上人為控制TMS2812芯片的啟動(dòng)模式，系統(tǒng)設(shè)置了一組雙向開(kāi)關(guān)，分別連接到TMS2812芯片的一組控制引腳上，再設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的雙向開(kāi)關(guān)用于控制XMP/MC引腳輸入的電平高低，從而控制TMS2812核心在微處理器和微計(jì)算機(jī)工作模式之間進(jìn)行切換，開(kāi)關(guān)連接高電壓為33 V[1-2]。

2.2.2 無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)電機(jī)掃描控制模塊

在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制方面，系統(tǒng)采用了芯片33886，該芯片可以為直流步進(jìn)電機(jī)提供雙向驅(qū)動(dòng)，從而控制探測(cè)頭的掃描方向，由于要對(duì)電路進(jìn)行橫向和豎向的掃描，從而形成圖像點(diǎn)陣，這樣系統(tǒng)需要兩個(gè)33886芯片，33886直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片系統(tǒng)連接圖如圖4所示。

圖4 33886直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片系統(tǒng)連接圖

33886芯片的輸入口IN1和IN2連接到TMS2812的PWM輸出口，由于33886芯片起到H-Bridge的作用，IN1和IN2對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸出口OUT1和OUT2輸出與IN1和IN2一致的電平電壓，也就是說(shuō)當(dāng)IN1和IN2端輸入了PWM波為高電平時(shí)，OUT1和OUT2也輸出高電平，反之亦然。這樣通過(guò)設(shè)置兩個(gè)輸入端的PWM時(shí)序，使得OUT1與OUT2處于相反的電平狀態(tài)(OUT1輸出高電平時(shí)，OUT2輸出低電平，如果同時(shí)高或者同時(shí)低那么無(wú)電流，電機(jī)不運(yùn)動(dòng))。這樣，在直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同方向的兩種電流，從而驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)向不同的方向移動(dòng)。D1，D2是兩個(gè)控制口，控制了33886芯片工作與否(D1高電平有效，D2低電平有效)，本系統(tǒng)兩個(gè)端口都置成有效，僅通過(guò)輸入電壓的時(shí)序控制控制電流產(chǎn)生。TMS2812輸出的PWM波為33 V高電平，無(wú)法驅(qū)動(dòng)33886產(chǎn)生電流(需要+30 V或-30 V的驅(qū)動(dòng)電壓)，需要放大。系統(tǒng)通過(guò)添加一個(gè)LM358電壓放大芯片來(lái)做電壓放大，LM358通過(guò)INx+和INx-兩個(gè)輸入端的電壓差經(jīng)過(guò)放大電路產(chǎn)生輸出電壓(本系統(tǒng)而言，將PWM輸出連到INx+，INx-接12 V電壓，放大后可輸出30 V電壓)，而且經(jīng)過(guò)測(cè)試在33886的V+端需要輸入24 V的驅(qū)動(dòng)電壓才可以使芯片正常工作，系統(tǒng)使用另一個(gè)LM358，正向輸入接5 V電壓源，負(fù)向輸入接3.3 V電壓可放大產(chǎn)生24 V電壓[4-5]。

2.2.3 無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)串口通信功能模塊

系統(tǒng)通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)接口芯片MAX232控制串口通信，MAX232輸入電壓高電平至少要2 V，低電平最多0.8 V，TMS2812的輸出電平基本可以滿足這個(gè)條件，不用做太多的改動(dòng)。輸出方面，由于串口的通用電平時(shí)為+12 V或者-12 V，這樣，需要對(duì)MAX232的C1+，C1-，C2+，C2-，V+，V-進(jìn)行相應(yīng)的外部電路搭建組成適合的電荷泵電路，一般來(lái)說(shuō)，MAX232的C1+，C1-，C2+，C2-引腳需要接1 μF的電容，V+和V-需要外接5 V電源。MAX232有2組數(shù)據(jù)通信通道，通道只需要與PC進(jìn)行通信，選用其中一組與TMS2812和串口連接。TMS2812芯片有專設(shè)的SCI(串行通信接口)用于串口通信，將它的SCI-B通訊通道的數(shù)據(jù)發(fā)送口GPIO-SCITXDB口與MAX232的T1數(shù)據(jù)發(fā)送通道輸入口T1IN連接，對(duì)應(yīng)的將T1數(shù)據(jù)發(fā)送通道T1OUT與串口2腳相連。在數(shù)據(jù)接收方向上，串口3腳與MAX232的R1數(shù)據(jù)接收通道輸入口R1IN相連，其R1OUT與TMS2812的SCI-B通訊通道的數(shù)據(jù)接收口GPIO-SCIRXDB相連。這樣數(shù)據(jù)從TMS2812輸出通過(guò)MAX232從串口輸入PC和反向的PC數(shù)據(jù)輸入功能就實(shí)現(xiàn)了[4-5]。TMS2812與MAX232的連接圖如圖5所示。

圖5 TMS2812與MAX232連接圖

2.2.4 無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)邏輯電源電壓轉(zhuǎn)換模塊

如前系統(tǒng)概述所說(shuō)，系統(tǒng)需要有3.3 V，1.8 V的電壓分別驅(qū)動(dòng)TMS2812的I/O和內(nèi)核工作，而且如上介紹之后這兩個(gè)電壓也在別的電平轉(zhuǎn)換或者驅(qū)動(dòng)芯片中有所應(yīng)用，但是，系統(tǒng)只提供一個(gè)5 V的直流電源，這樣33 V和18 V這兩個(gè)電壓要有專門的電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)產(chǎn)生，如概述提到的，系統(tǒng)選用TI公司的變壓芯片TPS70151來(lái)實(shí)現(xiàn)。該芯片有兩個(gè)電壓轉(zhuǎn)換通道分別輸出3.3 V和1.8 V的電壓。TPS70151的片選EN在本系統(tǒng)中永遠(yuǎn)處于低電平，一直處于選中狀態(tài)，輸出上電模式選擇引腳也長(zhǎng)期置低，使得3.3 V的I/O電壓先上電，1.8 V的內(nèi)核電壓后上電，這樣可以使得TMS2812的工作穩(wěn)定，兩個(gè)通道的輸入VIN1，VIN2都接5 V的電壓源，VOUT1輸出33 V，VOUT2輸出18 V，VSENSOR1/FB1和VSENSOR2/FB2分別作為VOUT1和VOUT2的回饋輸入口，使輸出電壓更穩(wěn)定。MR1，MR2分別為轉(zhuǎn)換通道1和轉(zhuǎn)換通道2的人工復(fù)位口。PG1為通道1的自動(dòng)輸出口，其作用是在VOUT1的輸出電壓低于55%的正常輸出電壓時(shí)自動(dòng)置低，將PG1連接到MR2，這樣只要讓通道1復(fù)位就可以控制整個(gè)TPS70151芯片復(fù)位，而且可以控制TMS2812的I/O先下電，而后才使TMS2812的核心下電。TPS70151復(fù)位之后會(huì)從RESET輸出低電平復(fù)位信號(hào)，信號(hào)輸出到TMS2812的XRS，這樣便可以使TMS2812芯片復(fù)位。MR1的輸入信號(hào)控制只要在VCC5與其之間加一個(gè)電子開(kāi)關(guān)就可以進(jìn)行輸入控制。

圖6 TPS70151的系統(tǒng)連接圖

至此，整個(gè)圖像掃描數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件連接基本完成，當(dāng)然為了防止元件之間的電偶電壓干擾，在器件的周圍需要搭建一些抗擾電容，這里不一一進(jìn)行介紹。系統(tǒng)硬件搭建完成之后，需要在軟件上對(duì)TMS2812的寄存器進(jìn)行設(shè)置，首先設(shè)置定時(shí)器的分頻模式，使其產(chǎn)生一定頻率的標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)脈沖，在此基礎(chǔ)上通過(guò)設(shè)置TMS2812ADC的采樣周期，使其滿足奈奎斯特采樣定律，而且在以標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)脈沖為單位的條件下設(shè)置通用定時(shí)器的相關(guān)寄存器，使TMS2812的通用I/O口可以輸出要求的驅(qū)動(dòng)PWM脈沖，這就形成了驅(qū)動(dòng)外部芯片進(jìn)行工作的定時(shí)脈沖，注意，需要保持ADC的采樣脈沖與PWM脈沖保持一致，這樣才能比較好地采集到數(shù)據(jù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)就被激活了，然后通過(guò)對(duì)輸入到PC上保存的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的算法分析和圖像重建和增強(qiáng)，最后達(dá)到毫米波數(shù)據(jù)采集后臺(tái)成像的目標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)采用的芯片都屬于低功耗部件，而且TMS2812自帶的ADC模塊使得傳統(tǒng)信號(hào)采樣系統(tǒng)的控制與采集轉(zhuǎn)換部件分離的模式得到改善，有效地節(jié)省了硬件資源，更進(jìn)一步降低了功耗。通過(guò)使用TPS70151雙輸出電壓轉(zhuǎn)換芯片和LM358兩種電源轉(zhuǎn)換芯片，簡(jiǎn)化了電源數(shù)量，僅提供一個(gè)5 V的電源就可以完成所有電子芯片元件的驅(qū)動(dòng)和電平匹配，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)毫米波成像系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

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