一種基于STM32系統(tǒng)的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任建 丁旭 郭國發(fā)

摘? 要：連續(xù)波體制雷達(dá)的發(fā)射功率可在一段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率平均分配，發(fā)射峰值功率小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，因此易于結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電路簡單。文章在STM32架構(gòu)上設(shè)計(jì)了一款24GHz 毫米波調(diào)頻連續(xù)波（frequency modulation continuous wave，F(xiàn)MCW）雷達(dá)系統(tǒng)。經(jīng)LabView平臺(tái)仿真和實(shí)物驗(yàn)證，最終可生成頻率為100Hz，峰值為2.56V的調(diào)頻連續(xù)波。該系統(tǒng)由于易實(shí)現(xiàn)、效率高，可在自適應(yīng)巡航和交通監(jiān)管等方向開展應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：調(diào)頻連續(xù)波;差頻信號(hào);測距雷達(dá);STM32單片機(jī);

Abstract：The transmission power of the continuous wave radar can realize the average power distribution within a period of time，the transmission peak power is small，and the environmental adaptability is strong，so it is easy to optimize the structure and the circuit is simple.This paper designs a 24GHz millimeter wave frequency modulation continuous wave （FMCW） radar system on the STM32 architecture.Through LabView platform simulation and physical verification，it can finally generate a frequency-modulated continuous wave with a frequency of 100Hz and a peak-to-peak value of 2.56V. Due to its easy implementation and high efficiency，this system can be applied in adaptive cruise and traffic supervision.

Key words： FM continuous wave; Difference frequency signal; Ranging radar; STM32 microcontroller;

一、引言

FMCW雷達(dá)是基于連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)而來的，與脈沖體制雷達(dá)相比，它具有高帶寬、工作電壓低、大時(shí)帶積等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。隨著集成電路工藝的不斷提高，硬件成本降低，高性能的毫米波雷達(dá)研制成為可能[4-6]。

2017年南京理工大學(xué)的李健以TMS320C6748核心板來搭建雷達(dá)平臺(tái)[7]。2018年11月1日，國內(nèi)首輛配備毫米波雷達(dá)的自動(dòng)駕駛出租車正式問世。由于高頻器件較貴，鮮有電子廠商在這個(gè)領(lǐng)域有重大突破。國內(nèi)雷達(dá)傳感器開發(fā)難度大[8]。筆者所設(shè)計(jì)的基于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)是一款簡單高精度的雷達(dá)系統(tǒng)，可以為大規(guī)模生產(chǎn)提供幫助。

二、FMCW雷達(dá)測距基本原理

連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)有非調(diào)制、多頻和調(diào)頻三種。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距性能較好。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的主流工作頻段是24GHz、77GHz，目前24GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)是大多數(shù)廠家的主流選擇。

發(fā)射信號(hào)在傳播過程中遇到障礙物發(fā)生散射，散射信號(hào)向所有方向傳播，部分信號(hào)被接收天線接收。發(fā)射到接收有時(shí)間上的延時(shí)，回波信號(hào)相對(duì)于本振信號(hào)有頻率差，分析頻率值可得目標(biāo)物體的距離信息。

如圖1所示，黃色實(shí)線為發(fā)射信號(hào)（Ftransmit），藍(lán)色虛線為接收信號(hào)（Freceive），某時(shí)刻t0的接收信號(hào)頻率低于發(fā)射信號(hào)頻率，生成具有基本固定值的差頻信號(hào)fD。雷達(dá)信號(hào)由鋸齒波調(diào)制，發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)幾乎相同，延遲時(shí)間τ，c0是光速，Δf為調(diào)頻寬度。目標(biāo)距離R的值與τ之間的關(guān)系如式（1）所示。

二、雷達(dá)系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

筆者實(shí)現(xiàn)的連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)如圖2描述，最后系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)接收到FMCW信號(hào)并顯示。

雷達(dá)前端傳感器使用德國 InnoSenT 公司雙通道24GHz雷達(dá)前端傳感器IVS-465。該模塊包含了收發(fā)天線以及混頻器，具有FSK/FMCW/CW工作模式，傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳感器調(diào)制頻率最大為150KHz。

前端傳感器以1kHz 的鋸齒波為調(diào)制信號(hào)，探測距離為0.3米～5米。由于前端傳感器沒有集成中頻輸出放大極，輸出信號(hào)只有幾毫伏，還存在調(diào)制信號(hào)的泄露。筆者設(shè)計(jì)濾波放大電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大，濾波增益電路如圖4所示。

FMCW雷達(dá)信號(hào)源輸出的是經(jīng)過調(diào)制產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)。信號(hào)源的控制端輸入的不同調(diào)諧電壓可以使輸出信號(hào)產(chǎn)生不同的信號(hào)頻率。信號(hào)源通常使用壓控振蕩器VCO（Voltage Controlled Oscillator，VCO）來產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)， 輸出信號(hào)的頻率f與調(diào)諧電壓Vmod可以表示為線性關(guān)系式（3），但Vmod有一定的范圍限制。

其中f0對(duì)應(yīng) Vmod=0時(shí)的截距，而k表示VCO的輸出增益。

通常調(diào)諧電壓Vmod是與時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，所以VCO輸出電壓信號(hào)的頻率f也可以根據(jù)式（4）表示成與時(shí)間相關(guān)的函數(shù) f（t）：

輸出信號(hào)的頻率f與輸入電壓在部分區(qū)間內(nèi)似線性關(guān)系，VCO輸出電壓信號(hào)可以表示為式（5）：

At為VCO輸出的發(fā)射信號(hào)的幅值;ψ（t） 為發(fā)射信號(hào)的相位。

設(shè)計(jì)調(diào)制信號(hào)由STM32F103RCT6單片機(jī)的DAC產(chǎn)生，調(diào)制信號(hào)的電壓值為0.5V～3V時(shí)VCO的線性度較好，輸出電壓范圍在0V到3.3V之間。配合直接存儲(chǔ)器訪問使用來減少CPU資源占用，更加高效。

A/D采集使用MP4623采集卡，上位機(jī)使用LabView開發(fā)，其程序圖形化如圖5所示

調(diào)用VI啟動(dòng)校準(zhǔn)采集卡，獲取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)長度并值返回到A/D數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，將讀取到的數(shù)組類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換。

整套FMCW測距雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

雷達(dá)系統(tǒng)各部分為：

1.STM32單片機(jī);2.MP4623數(shù)據(jù)采集卡;3.IVS-465傳感器;4.差頻信號(hào)濾波增益電路;5.±5V電源轉(zhuǎn)換模塊。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過硬件調(diào)試，得到如下結(jié)果。

使用60dB增益帶通濾波放大電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大，截止頻率約為32.17KHz，防止信號(hào)泄露的濾波結(jié)果如圖7所示。

使用DAC輸出鋸齒波，使輸入值從500到3000進(jìn)行遞增，此過程在while循環(huán)中進(jìn)行。設(shè)定好合適參數(shù)值即可得到較穩(wěn)定、符合要求的波形。由采集卡采集，LabView上位機(jī)顯示，三角波輸出如圖8所示。

通過波形控件將讀取到的數(shù)組類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形數(shù)據(jù)，并連接到波形顯示控件上進(jìn)行顯示，至此可觀察到采集的波形，上位機(jī)運(yùn)行效果圖如圖9。

由圖9可見，該設(shè)計(jì)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了24G調(diào)頻連續(xù)波的雷達(dá)，完成了波形設(shè)計(jì)、發(fā)射和接收，為以后的測量、跟蹤等應(yīng)用提供前端基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語

綜上，對(duì)FMCW雷達(dá)系統(tǒng)使用鋸齒波調(diào)制的工作原理進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了整套系統(tǒng)的各部分組件，主要包括調(diào)制信號(hào)信號(hào)源、差頻信號(hào)處理電路、基于LabView的采集卡上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了基本的測距功能，性能良好。2020年開年，新冠疫情全球肆虐，在中國本土管控良好的同時(shí)，對(duì)外來輸入病例的防范成為抗疫的重中之重。在這樣的大背景下，海關(guān)的非接觸測量顯得尤為關(guān)鍵。24GHz調(diào)頻連續(xù)波作為測距的主要雷達(dá)機(jī)制，終于可以大展身手。因此，該設(shè)計(jì)電路對(duì)于便攜式微波設(shè)備開發(fā)具有重要的參考意義。

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