FMCW雷達(dá)水位計(jì)設(shè)計(jì)

逯繼業(yè)，武利生，趙達(dá)森

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

水位測(cè)量是水文防測(cè)工作中的重要內(nèi)容，與傳統(tǒng)接觸式測(cè)量及超聲波測(cè)量相比，利用雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量水位具有測(cè)量精度高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)部分水文站已引進(jìn)國(guó)外生產(chǎn)的脈沖型雷達(dá)水位計(jì)，脈沖型雷達(dá)水位計(jì)價(jià)格昂貴均在十萬(wàn)以上，而FMCW雷達(dá)水位計(jì)仍處于研究階段[1]。設(shè)計(jì)了一款FMCW雷達(dá)水位計(jì)，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果滿足水位計(jì)的實(shí)時(shí)測(cè)量及精度要求。

2 雷達(dá)傳感器工作原理

FMCW雷達(dá)傳感器大同小異，調(diào)制信號(hào)控制壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)，調(diào)頻信號(hào)作用于發(fā)射天線發(fā)射調(diào)頻雷達(dá)波，雷達(dá)波傳遞至測(cè)量目標(biāo)后反射形成雷達(dá)回波，雷達(dá)回波由雷達(dá)傳感器接收天線接收，雷達(dá)回波與發(fā)射波經(jīng)過(guò)混頻器產(chǎn)生混頻信號(hào)，混頻信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大后輸出差頻信號(hào)。

設(shè)計(jì)采用鋸齒波調(diào)制信號(hào)，差頻信號(hào)頻率與測(cè)量距離成正比，測(cè)量差頻信號(hào)頻率可間接測(cè)量距離，測(cè)量距離可表示為[2]：

式中：R—測(cè)量距離；c0—光速；B—調(diào)頻帶寬；T—調(diào)制信號(hào)周期；fd—差頻信號(hào)頻率。

選用德國(guó)Innosent的IVS-179雷達(dá)傳感器，工作電壓為5V，調(diào)制電壓范圍為（0～10）V，調(diào)制斜率為50MHz/V，發(fā)射頻率為（24～24．250）GHz，IVS-179 采用收發(fā)天線分離結(jié)構(gòu)，方向樣式為 7×28°。

3 水位計(jì)硬件組成及工作過(guò)程

水位計(jì)硬件由雷達(dá)傳感器、DSP核心電路、供電模塊、波形發(fā)生器、信號(hào)處理模塊、溫度模塊及串口通訊模塊幾部分組成，水位計(jì)硬件組成，如圖1所示。其中虛線箭頭為供電走向，實(shí)線箭頭為信號(hào)/數(shù)據(jù)走向。工作過(guò)程結(jié)合圖1簡(jiǎn)要描述為：DSP通過(guò)控制波形發(fā)生器向雷達(dá)傳感器發(fā)送調(diào)制信號(hào)，調(diào)制信號(hào)作用于雷達(dá)傳感器，雷達(dá)傳感器發(fā)波、收波、混頻及濾波放大處理后輸出差頻信號(hào)，差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后進(jìn)行模擬數(shù)字采樣，使用鑒頻算法計(jì)算差頻頻率并換算成距離，距離數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)矯正后，通過(guò)串口通訊模塊上傳至上位機(jī)顯示并存儲(chǔ)。

圖1 水位計(jì)硬件組成Fig．1 Level Meter Hardware

3.1 DSP核心電路

DSP核心電路是DSP運(yùn)行的基礎(chǔ)電路，選擇TMS320F28335作為DSP核心芯片[3]，它是32位浮點(diǎn)DSP，主頻工作在150MHz，具有串行外設(shè)接口（SPI）及串行通信接口（SCI），同時(shí)內(nèi)部集成16通道12位精度的AD模塊，內(nèi)部存儲(chǔ)具有34K的SRAM及256K的FLASH。DSP核心電路由DSP電源模塊、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路及JTAG模塊組成，另外為了滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及算法運(yùn)行需求，擴(kuò)展了256K的SRAM，存儲(chǔ)空間映射到DSP的Zone6區(qū)域。

3.2 供電模塊

供電模塊一方面為DSP核心電路供電，另一方面為雷達(dá)傳感器、波形發(fā)生器等供電，為了兼容工業(yè)12/24V直流電源，設(shè)計(jì)了兩級(jí)分離電壓轉(zhuǎn)換電路。第一級(jí)使用TPS5410芯片將輸入（10～30）V直流電源轉(zhuǎn)換為約9V電壓，最大電流為1A；第二級(jí)使用兩個(gè)線性調(diào)壓芯片LM1117-5．0得到兩路5V電壓，最大電流為800mA。

3.3 波形發(fā)生器

波形發(fā)生器為雷達(dá)傳感器提供調(diào)制信號(hào)以發(fā)射調(diào)頻雷達(dá)波，設(shè)計(jì)波形發(fā)生器的輸出電壓范圍為（0～5）V，選擇DAC8831作為波形發(fā)生器的主要元件，DAC8831是16位高精度的單通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低功耗、低噪聲、高線性度的優(yōu)點(diǎn)，最快建立時(shí)間為1us，DAC8831具有最快可達(dá)50MHz的SPI，從而方便與DSP通訊。波形發(fā)生器硬件電路，如圖2所示。在DAC8831輸出端增加緩沖放大器以匹配雷達(dá)傳感器輸入阻抗，從而增強(qiáng)抗干擾能力、減小信號(hào)失真。

設(shè)計(jì)中選擇100Hz鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)，鋸齒波波形由函數(shù)生成經(jīng)過(guò)調(diào)頻線性矯正[4]后保存至DSP內(nèi)部FLASH中，DSP運(yùn)行時(shí)將波形數(shù)組讀取至RAM中，通過(guò)SPI將波形數(shù)據(jù)逐個(gè)發(fā)送至DAC8831，DAC8831接收數(shù)據(jù)使能后即可建立調(diào)制電壓波形。

圖2 波形發(fā)生器硬件電路Fig．2 Waveform Generator Hardware Circuit

3.4 信號(hào)處理模塊

雷達(dá)傳感器中壓控振蕩器（VCO）的非理想性[5]導(dǎo)致原始差頻信號(hào)中伴有調(diào)制泄漏信號(hào)，調(diào)制泄漏信號(hào)嚴(yán)重影響了差頻信號(hào)的后續(xù)處理及測(cè)量，而且隨著距離的增加差頻信號(hào)強(qiáng)度明顯減弱，因此設(shè)計(jì)高通濾波可編程放大電路以解決調(diào)制信號(hào)泄漏及信號(hào)強(qiáng)度問(wèn)題。

采用多路負(fù)反饋（MFB）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高通濾波器[6]，它具有良好的溫度穩(wěn)定特性及較低的輸出阻抗的優(yōu)點(diǎn)，鑒于采用100Hz的鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)，現(xiàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)折頻率為1kHz、放大倍數(shù)為1的高通濾波器。選用AD8532作為運(yùn)算放大器，其采用單電源+5V供電，為了兼容后續(xù)信號(hào)放大及采集須在AD8532的正相輸入端加入偏置電壓，考慮到DSP內(nèi)部AD模塊量程為（0～3）V，偏置電壓選擇為1．5V?？删幊谭糯箅娐愤x用可編程增益放大器（PGA）MCP6S21，MCP6S21最大放大倍數(shù)為31，DSP不斷檢測(cè)輸入信號(hào)的幅值，根據(jù)信號(hào)閥值確定放大倍數(shù)，通過(guò)SPI控制MCP6S21從而使采集的信號(hào)盡量布滿量程范圍。如圖3所示。偏置電壓可采用電阻分壓得到，并使用運(yùn)算放大器隔離，分壓電路與MFB濾波電路及可編程放大電路共同組成了有源濾波放大偏置電路。

距離約為5m的時(shí)采集到的原始差頻信號(hào)、濾波后的信號(hào)及放大4倍后的信號(hào)，波形顯示濾波效果良好，信號(hào)放大無(wú)明顯失真，如圖4所示。同時(shí)可以觀察到，差頻信號(hào)隨調(diào)制信號(hào)周期變化且在周期過(guò)渡處不平穩(wěn)，因此僅能采用單個(gè)周期的部分區(qū)間信號(hào)以計(jì)算差頻信號(hào)頻率。在MATLAB建立濾波器傳遞函數(shù)模型，根據(jù)階躍響應(yīng)曲線，以0．01的穩(wěn)定度計(jì)算得到圖3中設(shè)計(jì)的濾波器穩(wěn)定時(shí)間為（0．96×10-3），約為調(diào)制周期的 1/10，因此初步確定調(diào)制周期后90%為有效信號(hào)區(qū)間。

圖3 有源濾波放大偏置電路原理圖Fig．3 Active Filter Amplifier Bias Circuit Principle Diagram

圖4 濾波及放大效果Fig．4 Filtering and Amplification Effect

3.5 其他模塊

考慮溫度影響雷達(dá)傳感器調(diào)制斜率及部分元器件的工作性能，需要在不同溫度下對(duì)水位計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)際測(cè)量時(shí)從FLASH中讀取以矯正，選擇電壓輸出型溫度芯片TMP36，TMP36在25℃時(shí)輸出電壓為750mV，溫度電壓斜率為10mV/℃，溫度誤差在1℃以內(nèi)，TMP36輸出模擬電壓供AD采集，換算后得到溫度值。通訊模塊將SCI的TTL轉(zhuǎn)為串口，通過(guò)串口即可與其他串口設(shè)備連接，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康兀O(shè)計(jì)采用MAX3232芯片，僅需四個(gè)0.1μf電容即可實(shí)現(xiàn)最高速度為1Mbps的通訊功能。

4 水位計(jì)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件工作流程

軟件工作流程可分為主程序、定時(shí)器中斷及通訊中斷三部分，其工作流程分別，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main Program Flow Chart

圖6 定時(shí)器中斷流程圖Fig.6 The Flow Chart of The Timer Interrupt

圖7 通訊中斷流程圖Fig.7 Communication Interrupt Flow Chart

主程序主要實(shí)現(xiàn)代碼移植、設(shè)置初始化、參數(shù)初始化及距離計(jì)算等功能。水位計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)將運(yùn)行代碼固化于DSP內(nèi)部FLASH中，運(yùn)行時(shí)將代碼移植至RAM中以提高運(yùn)行速度[7]；將調(diào)頻線性矯正后的鋸齒波形及溫度矯正系數(shù)從FLASH中讀取到RAM中，以便直接調(diào)用；將距離計(jì)算算法中重復(fù)計(jì)算的部分（算法因子）提前生成，從而節(jié)省計(jì)算量，算法因子包括窗函數(shù)數(shù)組及FFT蝶形因子等，基于此，設(shè)計(jì)時(shí)擴(kuò)展了256K外部SRAM滿足以上需求；定時(shí)器中斷觸發(fā)采樣得到一定數(shù)量的信號(hào)時(shí)，計(jì)算使能位置1，完成一次距離計(jì)算并保存。

定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及波形發(fā)生功能，采用定時(shí)器觸發(fā)ADC采樣的方式，采樣完成后執(zhí)行ADC采樣中斷程序，波形發(fā)生在ADC采樣中斷中執(zhí)行具有時(shí)序穩(wěn)定及方便有效區(qū)間提取的優(yōu)點(diǎn)，另外SPI從機(jī)使能端采用不同的PWM口以實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生與可編程放大器共用SPI，DSP分析采集信號(hào)的幅度從而確定可編程放大器的放大倍數(shù)。設(shè)置采樣頻率為120kHz，調(diào)制周期為100Hz，單個(gè)調(diào)制周期采樣點(diǎn)數(shù)為1200點(diǎn)，則鋸齒波波形點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)為1200點(diǎn)，采樣得到需要點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)后停止采樣，將計(jì)算使能位置1，主程序進(jìn)行距離計(jì)算。

通訊中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及參數(shù)修改功能。設(shè)計(jì)采用16位FIFO通訊模式，將上位機(jī)發(fā)送的指令根據(jù)自定義通訊格式進(jìn)行解釋，運(yùn)行參數(shù)包括通訊參數(shù)、調(diào)制頻率、采集點(diǎn)數(shù)等，修改運(yùn)行參數(shù)需要對(duì)應(yīng)模塊重新初始化，F(xiàn)LASH參數(shù)包括鋸齒波波形數(shù)據(jù)、溫度矯正參數(shù)等，修改FLASH參數(shù)后需要加載新數(shù)據(jù)至RAM中，水位測(cè)量正常工作時(shí)，上位機(jī)發(fā)送讀取距離指令，水位計(jì)返回距離數(shù)據(jù)。

4.2 距離計(jì)算實(shí)現(xiàn)

距離計(jì)算首先使用鑒頻算法計(jì)算差頻信號(hào)頻率，然后根據(jù)式（1）計(jì)算出距離，再根據(jù)溫度矯正參數(shù)修正測(cè)量距離。在水文測(cè)量中，水位計(jì)測(cè)量精度要求為1cm以下，直接使用快速傅立葉變換（FFT）遠(yuǎn)不能達(dá)到測(cè)量精度要求。

采用WIN_FFT_CZT算法提高差頻頻率估計(jì)分辨率，即是采用加窗（WINDOWING）、FFT與線性調(diào)頻 Z變換（CZT）的結(jié)合算法，F(xiàn)FT用來(lái)初步估計(jì)差頻信號(hào)的頻率，再使用CZT細(xì)分FFT主頻附近的頻率從而提高差頻信號(hào)的頻率分辨率，加窗用于抑制FFT及CZT的頻譜泄漏。其中，CZT算法可根據(jù)Bluestei等式分解、序列延長(zhǎng)后通過(guò)線性卷積代替循環(huán)卷積的方法實(shí)現(xiàn)其快速算法[8]。

設(shè)置帶寬B為250MHz，調(diào)制周期為100Hz，單個(gè)調(diào)制周期采樣1200點(diǎn)提取1024點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算差頻，窗函數(shù)選擇為漢寧窗，F(xiàn)FT采用1024點(diǎn)，CZT細(xì)分采用1000倍，則理論距離分辨率為0.7mm，筆者采用C語(yǔ)言編寫(xiě)WIN_FFT_CZT[9]算法并對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，在TMS320F28335中單次運(yùn)行時(shí)間約為58.5ms，則完成一次測(cè)流的時(shí)間為68.5ms，即每秒可完成14.6次測(cè)量，滿足水位計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量要求。

5 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

5.1 水位計(jì)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

水位計(jì)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖，如圖8所示。DSP核心板包含DSP核心電路，擴(kuò)展板包含電源模塊、波形發(fā)生器、信號(hào)處理模塊等，水位計(jì)樣機(jī)尺寸為（105×85×40）mm，使用 12V 直流供電，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備上傳至計(jì)算機(jī)保存及顯示，絲杠裝置可調(diào)整水位計(jì)樣機(jī)與被測(cè)目標(biāo)的距離，其距離調(diào)整精度可達(dá)0.025mm。

圖8 實(shí)物圖Fig.8 Real Figure

5.2 溫度矯正系數(shù)測(cè)定

雷達(dá)傳感器理想調(diào)諧斜率S為50MHz/V，調(diào)制電壓Vtune設(shè)置為5V，則理論帶寬B為250MHz，但實(shí)際中S及Vtune與設(shè)計(jì)值均有一定偏差，設(shè)計(jì)中將系統(tǒng)偏差量均歸于溫度矯正系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中利用絲杠裝置高精度距離調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)，采用線性擬合法標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)方法為：利用步進(jìn)等距離測(cè)量的數(shù)據(jù)根據(jù)式（1）計(jì)算得到距離值，采用線性擬合確定其斜率K，將斜率K與步進(jìn)距離值L作比值即可得到溫度矯正因子Q。在溫度為18.2°的室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，采集到步進(jìn)距離為5mm的50組數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合后計(jì)算出斜率K為5.9683×10-3，則溫度矯正因子Q為1.1937，在溫度為20.5℃時(shí)測(cè)量溫度矯正因子為1.1949。

5.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)某一距離進(jìn)行100次測(cè)量的數(shù)據(jù)，如圖9（a）所示。結(jié)果顯示距離跳動(dòng)約為3mm。以某一距離作為起始測(cè)量，如圖9（b）所示。步進(jìn)5mm測(cè)量的50組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（取100次測(cè)量的平均值），對(duì)圖9（b）中測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后的誤差，如圖9（c）所示。數(shù)據(jù)顯示線性度較好，但存在一定程度誤差，測(cè)量精度約為4mm。

圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.9 Experimental Data

6 結(jié)束語(yǔ)

采用IVS-179雷達(dá)傳感器、以TMS320F28335為核心設(shè)計(jì)了雷達(dá)水位計(jì)，水位計(jì)樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室中單次測(cè)量時(shí)間約為68.5ms，測(cè)量精度約為4mm，滿足對(duì)水位的實(shí)時(shí)測(cè)量及精度要求[10]。水位計(jì)樣機(jī)尺寸較小、質(zhì)量輕，當(dāng)前正在設(shè)計(jì)水位計(jì)殼體以便安裝至水文站進(jìn)行測(cè)試，由于河水測(cè)量環(huán)境多變，水位計(jì)需根據(jù)實(shí)際情況不斷改進(jìn)完善。

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