，

(陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事物流系，重慶 401311)

MCU+DSP的LFMCW雷達信號處理系統(tǒng)設(shè)計*

王斯盾，劉鵬

(陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事物流系，重慶 401311)

提出了一種基于C8051F120+TMS320F28335的LFMCW雷達信號處理系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案以C8051F120為信號采集核心，生成調(diào)制電壓信號，驅(qū)動雷達傳感器產(chǎn)生差頻信號，并對差頻信號進行信號調(diào)理與采集。以TMS320F28335為信號處理核心，嵌入基于相頻匹配的頻率估計算法對差頻信號進行處理，得到測量距離。在線實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)各功能模塊工作正常，相頻匹配算法測量精度較高。

LFMCW；信號處理；C8051F120；TMS320F28335

引 言

線性調(diào)頻連續(xù)波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave，LFMCW)雷達具有最小測量距離近、測量精度高、受自然環(huán)境影響小等特性，廣泛應(yīng)用于液位測量、無人駕駛、警戒監(jiān)控等領(lǐng)域[1]。近年來大量學(xué)者從時域[2]、頻域[3]、時頻分析[4]等多個角度研究了LFMCW雷達信號處理算法，但是限于實驗條件，大部分算法難以在線實驗?，F(xiàn)有的雷達信號處理系統(tǒng)主要基于DSP、FPGA或MCU。其中DSP具有較強的浮點運算能力，能夠運行復(fù)雜算法，但是外設(shè)驅(qū)動能力較弱，同時完成系統(tǒng)控制和信號采集與處理將大大削弱其運算能力。FPGA外設(shè)資源豐富，但不具備浮點運算能力，較難運行復(fù)雜算法。MCU同樣具有豐富外設(shè)，但是運算能力弱，無法實現(xiàn)復(fù)雜算法。

針對LFMCW雷達的研究現(xiàn)狀，本文提出了一種MCU+DSP雙核構(gòu)架的方案，充分利用MCU外設(shè)豐富、DSP浮點運算能力強的特點，設(shè)計了雷達信號處理系統(tǒng)，解決精度較高、運算量較大的信號處理算法難以在線實驗的問題；并在詳細設(shè)計了雷達系統(tǒng)硬件電路的基礎(chǔ)上，采用目前測距精度較高的算法進行了測距實驗驗證。

1 LFMCW雷達測距原理及系統(tǒng)方案

1.1 LFMCW雷達測距原理

在調(diào)制信號為三角波的情況下，LFMCW雷達發(fā)射信號、回波信號時頻圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射信號、回波信號時頻圖

圖1中B為調(diào)頻帶寬，T為調(diào)頻周期，τ為發(fā)射信號與回波信號的時延，f0為差頻信號頻率。由圖1中的三角關(guān)系可得[5]：

由雷達原理可知：

其中R為測量距離，c為電磁波速度。將式(2)代入式(1)，得到雷達測距公式：

由式(3)可知，只要得到差頻信號頻率，就可以計算出雷達測量的距離。

1.2 LFMCW雷達信號處理系統(tǒng)方案

設(shè)計采用MCU+DSP雙核架構(gòu)，系統(tǒng)方案如圖2所示。以單片機信號采集核心，以DSP為信號處理核心。單片機實現(xiàn)調(diào)制信號生成、差頻信號調(diào)理與采集等功能；DSP實現(xiàn)測距算法、串口通信等功能。單片機與DSP之間采用高速SPI通信。

圖2 LFMCW雷達系統(tǒng)方案

圖3 調(diào)制信號電壓與發(fā)射頻率曲線

射頻前端部分采用國產(chǎn)某新型高性能24 GHz LFMCW雷達傳感器，其VCO調(diào)制信號電壓與發(fā)射頻率曲線由圖3所示。當(dāng)調(diào)制信號電壓在1.20～2.46 V之間時，發(fā)射信號線性度較好，發(fā)射頻率為24.040～24.505 GHz，調(diào)頻帶寬B為465 MHz。

MCU選用C8051F120，片內(nèi)集成了兩個12位的DAC，最高輸出頻率50 kHz，可以使用相位累加算法，通過自定義函數(shù)表產(chǎn)生任意高精度的周期信號。同時C8051F120還集成了12位ADC，轉(zhuǎn)換速率可編程控制，最大可達到100 ksps。

DSP選用TMS320F28335，其主頻為150 MHz，具有浮點處理單元，片內(nèi)RAM為34K×16bit，片內(nèi)Flash為256K×16bit,能夠滿足測距算法浮點計算的需要。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 調(diào)制信號產(chǎn)生模塊

雷達前端壓控振蕩器(VCO)一般具有非線性特性，利用標(biāo)準(zhǔn)三角波作為調(diào)制信號輸出的連續(xù)波頻率往往不成線性變化。為了改善VCO輸出信號的線性度，需要對雷達前端進行開環(huán)校正或閉環(huán)校正。工程中普遍采用開環(huán)校正，即根據(jù)圖3所示的調(diào)制信號電壓與發(fā)射頻率的關(guān)系，采用非線性的調(diào)制電壓信號驅(qū)動雷達傳感器，抵消VCO 的非線性影響[6-7]。

設(shè)計采用C8051F120片內(nèi)DAC，運用直接數(shù)字頻率合成(DDS)的原理，將經(jīng)過非線性校正的三角波波形數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，調(diào)用生成調(diào)制信號。波形產(chǎn)生主要調(diào)用三個部分：累加器、定時器和存儲器。每次調(diào)用定時器時，相位累加器的值增加一個PHASE_ADD，同時在存儲器中查表尋找下一個DAC輸出值。PHASE_ADD的大小根據(jù)下式計算得出：

式中，F(xiàn)為三角波頻率，fs是DAC的采樣速率。

DDS輸出信號的頻譜里一般包含理想輸出頻率、高頻干擾和DDS數(shù)字雜散，因此需要進行濾波處理[8]。DAC 生成的三角波信號首先經(jīng)過低通濾波器(LPF)，濾除其中的高頻干擾，然后利用放大器OP284將信號進放大。放大電路的輸出直接作為雷達傳感器的調(diào)制信號輸入，其電路如圖4所示。

圖4 調(diào)制信號濾波電路原理圖

2.2 信號采集模塊

由雷達方程可知，LFMCW雷達測量的距離與差頻信號的功率成四次方的關(guān)系，當(dāng)測量距離較遠時，有用信號往往被淹沒在噪聲信號之中[9]。此外，差頻信號中還有固定頻率的三角波調(diào)幅信號干擾，直接進行頻率估計誤判幾率較高[10]，因此采集信號前需要進行濾波處理。

設(shè)計理論測距范圍R為1～10 m，調(diào)制信號帶寬B=465 MHz，掃頻周期T=4 ms，由式(3)計算可知，差頻信號最低頻率為fBS(min)=1.55 kHz，最高頻率為fBS(max)=15.50 kHz。設(shè)計采用雙運放NE5532，搭建二階巴特沃斯有源低通濾波器和高通濾波器，然后通過低通濾波器與高通濾波器級聯(lián)，構(gòu)成帶通濾波器。電路原理圖如圖5所示。

圖5 差頻信號濾波電路原理圖

圖5所示帶通濾波器通帶范圍為1.55～15.5 kHz，放大倍數(shù)為一倍，二倍頻衰減24 dB，滿足差頻信號濾波需求。

按照奈奎斯特采樣定理，ADC采樣率至少需大于差頻信號最高頻率的2倍，本設(shè)計取5倍進行采樣，故采樣率 fADC= 15.5 kHz × 5 = 77.5 kHz，因此ADC采樣率大于 77.5 ksps即可滿足需求。

ADC 轉(zhuǎn)換位數(shù)一般選擇 12 位即可。參考電壓采用內(nèi)置參考電壓。綜合考慮系統(tǒng)需求和成本，選擇單片機內(nèi)置 ADC即可滿足系統(tǒng)需要。同時,采用內(nèi)置ADC模塊在不占用CPU運行周期的情況下將數(shù)字信號存儲到單片機內(nèi)置的存儲器中。與目前一般的差頻信號采集系統(tǒng)采用外置的ADC以及外加FPGA實現(xiàn)FIFO的方案相比，本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可靠性更高。

2.3 SPI通信模塊

為了滿足實時性好的需求，MCU采集到的差頻信號數(shù)據(jù)需要以一種高效的方式傳送至DSP。串行外設(shè)接口(SPI)通信占用接口少，通信速度快，且C8051F120與TMS320F28335都支持，是一種理想的方案。

SPI通信在硬件上分為主機和從機。只需要連接主機的發(fā)送與從機的接收，主機的接收與從機的發(fā)送，主機的時鐘、使能與從機的時鐘、使能4根線。本設(shè)計將MCU作為串行通信的主機，DSP作為從機，其硬件連接如圖6所示。

圖6 MCU與DSP的接口連接圖

在從機選擇線SPISIEA使能的情況下，主機和從機的SPI時鐘線相連后，主機與從機的串行通信就不需要有起始位、停止位等用于同步的格式位，直接將采集的數(shù)據(jù)寫入主機的SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)從機接收完一段完整的信號后，設(shè)置中斷標(biāo)志位停止接收數(shù)據(jù)，同時將移位寄存器接收到的內(nèi)容復(fù)制到從機的SPI接收數(shù)據(jù)寄存器SPIRXBUF中，完成單片機到DSP的通信。

2.4 串口通信模塊

C8051F120具有可同時使用的兩個UART串行端口，支持單片機和其他使用標(biāo)準(zhǔn)不歸零格式(nRZ)的異步外圍設(shè)備間的通信。由于上位機串口多采用基于RS-232的DB9接頭，因此本設(shè)計通過UART連接MAX3232，實現(xiàn)TTL電平到RS-232電平的轉(zhuǎn)換。只需要連接發(fā)送信號線、接收信號線和地線即可實現(xiàn)全雙工通信，硬件電路如圖7所示。

圖7 RS-232轉(zhuǎn)換電路

2.5 信號處理模塊

DSP中的信號處理采用基于相頻匹配的頻率估計算法[2]。該方法誤差接近克拉美羅下限(Cramer Rao Lower Bound，CRLB)，是目前LFMCW雷達測距精度最高的算法之一。相頻匹配方法測距原理為：利用一種計算量小的算法對頻率進行粗估計，然后利用頻率粗估計值構(gòu)造參考信號，得到參考信號與自定義自相關(guān)信號的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)柯西不等式建立誤差函數(shù)，誤差函數(shù)取得最小時所對應(yīng)的頻率即為估計頻率。相頻匹配方法的實現(xiàn)步驟如下：

① 利用式(5)構(gòu)建待測信號的自相關(guān)信號λ(k)，其中k=1,2,…,q且q≤(N-1)/2，由于λ(k)為自相關(guān)信號，所以具有零初相位。

② 由諧波分解法(PHD) 計算λ(k)角頻率估計值ω1。

③ 根據(jù)角頻率估計值ω1構(gòu)建兩路正弦信號cos(kω1)和sin(kω1)。

④ λ(k)、cos(kω1)和sin(kω1)通過式(6)進行相頻匹配，得到信號角頻率精確值ω。

(6)

⑤ 根據(jù)角頻率精確值ω和采樣頻率fs，由式(7)計算信號頻率：

2.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)開始工作時，首先進行初始化，如系統(tǒng)初始化控制、接口初始化和中斷設(shè)置等。然后系統(tǒng)等待中斷程序。在中斷程序中，MCU完成調(diào)制信號生成和數(shù)據(jù)采集，DSP實現(xiàn)信號處理。在中斷程序中每512個數(shù)據(jù)進行一次數(shù)據(jù)采集與處理，然后調(diào)用信號處理算法函數(shù)處理數(shù)據(jù)，得到距離信息。最后將距離信息通過串口發(fā)送至上位機。程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖

3 實驗驗證與分析

為了驗證設(shè)計的LFMCW雷達信號處理系統(tǒng)的有效性，本文對靜止目標(biāo)進行了測距實驗。實驗參數(shù)設(shè)置為：調(diào)制信號為三角波信號，電壓為1.20～2.46 V，頻率為250 Hz，調(diào)頻帶寬465 MHz。采集得到的差頻信號波形如圖9所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)各功能模塊工作正常，硬件設(shè)計及軟件設(shè)計正確，差頻信號較為穩(wěn)定。

圖9 差頻信號波形圖

表1為1～9 m靜止目標(biāo)的測距實驗結(jié)果，測量的絕對誤差在100 mm以內(nèi)，可以滿足一般使用場景應(yīng)用。此外，多次實驗表明1 m處由于接近雷達最小測量距離，會導(dǎo)致誤差忽然增大，在實際使用中需注意雷達最小測量距離。

表1 實驗結(jié)果

結(jié) 語

[1] Lin J J, Li Y P, Hsu W C, et al. Design of an FMCW radar baseband signal processing system for automotive application[J]. SpringerPlus, 2016,5(1):1-16.

[2] 沈艷林, 涂亞慶, 劉鵬, 等. 非整周期采樣信號頻率估計的相頻匹配方法[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2015,36(6):1221-1226.

[3] Su D, Tu Y, Luo J, et al. A frequency estimation algorithm based on cross information fusion[J]. Measurement Science & Technology, 2015,26(1):217-238.

[4] 趙曉月, 何書睿, 陳先中, 等. 強干擾環(huán)境下高爐雷達信號機器學(xué)習(xí)算法[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2016,33(12):1667-1673.

[5] 丁鷺飛, 耿富錄, 陳建春. 雷達原理[M].5版.北京：電子工業(yè)出版社, 2014.

[6] 涂亞慶, 楊輝躍, 張海濤, 等. 復(fù)雜信號頻率估計方法及應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 2016.

[7] 齊艷麗, 賴濤, 趙擁軍, 等. 一種FMCW信號非線性校正方法[J]. 信息工程大學(xué)學(xué)報, 2016(2):150-154.

[8] 陳林軍, 涂亞慶, 劉鵬, 等. 基于FPGA的LFMCW測距雷達調(diào)制信號源設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程, 2016(1):115-117.

[9] 張鑒, 戚昊琛, 高偉清, 等. 汽車主動防撞系統(tǒng)的中頻信號處理模塊[J]. 電子器件, 2015(5):1114-1119.

[10] 蔡瀟, 陳敬軍. 高靈敏度大動態(tài)范圍船用導(dǎo)航雷達對數(shù)中頻放大器設(shè)計[J]. 雷達與對抗, 2016(1):56-59.

王斯盾(碩士研究生)，主要研究方向為智能檢測與智能控制。

[7] 石煒,李俊成,蔡春明,等.視覺檢測與激光精密測量在軸承加工檢測中的應(yīng)用[J].機床與液壓,2014(22):150-153,157.

[8] Xie L,Yang L,Yong H E.Machine vision application in precision mould breakage detection system[J].Manufacturing Automation,2013(3):515-531.

[9] 何京徽,許素安,謝敏,等.基于LabVIEW的激光雙頻外差干涉納米位移測量系統(tǒng)[J].測控技術(shù),2014,33(5):31-34.

[10] 王富平,水鵬朗.形狀自適應(yīng)各向異性微分濾波器邊緣檢測算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2016,38(12):2876-2883.

[11] Zhang J,Lian Y,Dong L,et al.A new method of fuzzy edge detection based on Gauss function[C]//The International Conference on Computer and Automation Engineering,2010:559-562.

[12] 張鋮偉,王彪,徐貴力,等.攝像機標(biāo)定方法研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2010,20(11):174-179,183.

[13] 趙杰,王龍,龔碩然,等.基于折射定律的攝像機標(biāo)定模型[J].計算機仿真,2014,31(9):262-266.

LFMCWRadarSignalProcessingSystemBasedonMCU+DSP

WangSidun,LiuPeng

(Department of Military Logistics,Army Logistical University,Chongqing 401311,China)

In the paper,a scheme of LFMCW radar signal processing system based on C8051F120+TMS320F28335 is proposed.C8051F120 is used as the signal acquisition core,it generates the modulation voltage signal,then drives the radar sensor to generate the beat signal,and carries on the beat signal conditioning and gathering.TMS320F28335 is used as the signal processing core,and the frequency estimation algorithm based on phase-frequency matching is embedded to process the beat signal to get the measurement.The online experiment results show that the functional modules work properly and the phase-frequency matching algorithm gains high precision.

LFMCW radar;signal processing;C8051F120;TMS320F28335

國家級-頻率估計的多段信號頻譜融合法及應(yīng)用基礎(chǔ)(61271449；61302175)。

TP274

A

楊迪娜

2017-09-26)

2017-08-31)