一种二维扫描式大气偏振信息采集系统设计

丁 胜， 范之国， 孙 闯

（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 230009）

太阳光进入大气层后，在传输过程中被大气中的物质散射、辐射和吸收，会产生具有不同偏振态的偏振光，这些具有不同偏振强度和方向的偏振光在大气中形成了特定的偏振态分布，称之为大气偏振模式［1］。大气偏振模式中含有重要的方向信息，其偏振度、偏振方向等参数信息随着太阳位置、地理位置、大气环境、天气状况以及地面环境的改变而发生相应的变化。自1809年发现大气偏振以来，观测大气偏振现象一直与研究大气污染和地面环境有着密切的联系。

许多昆虫通过对大气偏振模式的检测，可以远距离大范围觅食却能沿着近乎直线的路径返回巢穴。因此，对大气偏振模式的信息检测及其相关研究，在仿生偏振光导航领域以及在陌生环境与特殊条件下的自主导航与定位都具有重要的意义和研究价值［2－4］。

本文针对大气偏振信息的实时数据采集问题，设计了基于C8051F320微控制器的大气偏振信息数据采集与控制系统。本嵌入式数据采集系统包括数据的采集、USB通讯的硬件部分、人机交互界面等，与大气偏振传感器、多维运动控制系统、USB主从机通讯系统等一起构成大气偏振信息检测系统。

1 系统总体构架

本系统由大气偏振信息检测系统中的数据采集和控制部分构成，主要由C8051F320型单片机、TLC3574AD转换器、AT24C256I2CE2PROM存储器、多维运动控制系统接口、USB接口以及用于人机交互的键盘和ST7920LCD显示器组成，实现了通用嵌入式多路模拟数据的采集、处理、存储与显示以及与上位机通信的USB接口和多维运动控制系统的接口设计，其结构如图1所示。

图1 数据采集与控制系统结构

2 系统硬件设计

系统硬件原理电路设计包括：AD转换电路的设计、LCD显示器电路设计、I2CE2PROM电路设计、USB接口设计、键盘设计、复位及JTAG下载电路设计、多维运动控制系统接口设计、电源电路设计等。

2.1 基于C8051F320的单片机最小系统

C8051F320单片机是Silicon Lab公司推出的一款新型USB微控制器芯片［5］，是完全集成的混合信号片上系统型MCU，其原理电路如图2所示。

图2 C8051F320单片机原理电路

该器件是真正能够独立工作的片上系统，具有较快的处理速度和较大的存储容量，并且具有在系统可编程的功能，是嵌入式USB设计的理想选择。

C8051F320型单片机可以使用标准803x／805x的汇编器和编译器进行软件开发，指令执行速度较快，工作在最大系统时钟频率25 MHz时，其峰值速度可以达到25 MIPS。

2.2 基于TLC3574AD的AD转换模块

TLC3574 AD转换器是低功耗、CMOS、具有通用控制性能的14位高速模数转换器，其原理电路如图3所示。

串行界面有5个引脚，分别为片选信号输入端／CS、帧同步信号输入端FS、串行时钟输入输出端SCLK、串行数据输入端SDI和三态串行数据输出端SDO。SPI总线界面有4个引脚，分别为／CS、SDI、SDO和SCLK引脚；DSP界面由FS、SDI、SDO和SCLK 4个引脚构成。该转换器的采样模式可以编程，有短采样（12个时钟周期）和长采样（44个时钟周期）2种模式，以与高性能信号处理器的时钟频率相适应。

图3 AD转换器部分原理电路

TLC3574AD转换器采用串行接入，工作在查询方式，需要注意的是：在使用时要将数字地与模拟地分开，数字端供电电压也与模拟端供电电压不同［6－8］。

2.3 基于I2 C总线的数据存储模块

AT24C256是一个32 k电可擦可编程的非易失性存储器，采用I2C接口，每路总线最大可以连接4片存储器。存储部分采用2片AT24C256I2CE2PROM，共计64 k的数据存储空间，为确保存储速度，使存储芯片工作在最高驱动电压。

依据I2C协议，在SDA和SCK线上拉了5.1 k电阻［6］，其原理电路如图4所示。

图4 存储器部分原理图

2.4 ST7920型LCD显示器

人机交互界面为全中文图形界面，采用含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形LCD显示模块。该模块具有4位／8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64，内置8 192个16×16点汉字和128个16×8点ASCⅡ字符集，不仅可以显示8×4行16×16点阵的汉字，而且还能进行图形显示。由该模块构成的液晶显示方案与由同类型图形点阵液晶显示模块构成的显示方案相比，具有工作电压低、功耗小、市场售价低廉、接口方式灵活、操作指令简单、硬件电路及显示程序简洁的特点。

3 系统软件设计

系统软件流程，如图5所示。

图5 系统软件流程图

本系统采用模块化的程序设计方法［9］，可以在设计好各部分子程序后，再设计实现总系统功能的主程序，程序的可读性强、易修改。主程序包括：初始化、步进电机设置、AD转换设置、数据的存储与显示等，具体流程如下。

上电后，首先进行初始化，主要包括单片机的初始化和LCD显示器的初始化。单片机初始化主要包括对端口输入输出方式寄存器、交叉开关分配寄存器和端口跳过寄存器进行配置，以及对振荡器、定时计数器进行初始化；LCD显示器的初始化主要是向LCD显示器输入控制命令，选择LCD的显示方式。初始化结束后，等待用户命令，然后根据用户命令对步进电机、采样方式等进行设置。

步进电机的设置包括水平与垂直速度设置、水平与垂直步距设置。AD转换器设置包括自动采集设置（设置采集的速度）和点采集设置。自动采集主要是设定采集的序号和采集的时间；点采集主要用于手动采集，根据所按的键以及按键持续时间采集数据。需要说明的是：步进电机和AD转换器也可以不设置，此时进入缺省模式。当这些设置全部完成后，可以由用户命令进入采集程序进行数据采集，然后再调用USB通讯程序将数据上传到上位机。

4 结 论

本文针对大气偏振信息的实时数据采集问题，提出了一种基于C8051F320微控制器的大气偏振信息数据采集与控制系统，介绍了该系统的总体设计思路、原理及方法，详述了重要功能模块的电路原理，其优点主要有：

（1）采用低功耗，有利于脱机工作。

（2）器件的环境适应性强，能够适应各种天气条件。

（3）软件设计采用模块化设计方法，可修改性强。

（4）模数转换器精度较高，可提供较为可靠的数据。

本嵌入式数据采集与控制系统与大气偏振传感器、多维运动控制系统、USB主从机通讯系统等一起构成大气偏振信息检测系统，实现了部分天空区域和全天域的大气偏振模式信息的快速有效检测，为大气偏振信息的研究提供了基础数据。检测结果表明，本数据采集与控制系统运行稳定，操作方便，数据采集精度较高，各项指标均达到了实际检测的总体要求，为大气偏振模式相关研究提供了大量的可靠数据。

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［8］ 杨 博，李宛洲.基于单片机的新型多路数据采集系统［J］.仪表技术与传感器，2006（11）：45－46.

［9］ 陈 康，黄彩虹，何明华.基于工控单片机的嵌入式操作系统核心的设计［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（11）：1639－1642.