基于FMCW 毫米波雷達(dá)的復(fù)雜場(chǎng)所測(cè)距系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

羅詩(shī)敏，龍諾春

（廣東白云學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，廣東廣州，510450）

0 引言

距離測(cè)量是經(jīng)常要進(jìn)行的事情，面臨不能達(dá)到的復(fù)雜環(huán)境下，如遇到河流、水溝、樹(shù)障、路障、房屋阻礙等，采用常規(guī)的工具測(cè)量距離不僅有困難，而且較大誤差，存在精度不高的問(wèn)題，甚至有時(shí)不能進(jìn)行測(cè)量。如何解決復(fù)雜環(huán)境下的距離測(cè)量及高精度要求問(wèn)題，有大量學(xué)者進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。目前采用超聲波、激光、毫米波雷達(dá)、攝像等技術(shù)的測(cè)距系統(tǒng)比較多。不同的測(cè)距技術(shù)，工作原理有區(qū)別。超聲波和激光測(cè)距有相似之處，主要是利用波的傳播速度與時(shí)間關(guān)系測(cè)量距離，但工作原理有所不同，測(cè)量技術(shù)方法不一樣。攝像技術(shù)測(cè)距是通過(guò)成像原理計(jì)算出測(cè)量距離。

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到被測(cè)目標(biāo)物體反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到被測(cè)目標(biāo)的實(shí)際距離?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究出的超聲波測(cè)距方法主要有飛行時(shí)間法、相位差檢測(cè)法、多頻測(cè)距法等。文獻(xiàn)[1-5]采用超聲波傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，方法各不相同。超聲波可以沿直線傳播，方向性強(qiáng)，但測(cè)距誤差較大，存在精度不高的問(wèn)題。激光測(cè)距的原理是利用激光器射出的一束射線遇到被測(cè)目標(biāo)物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)的實(shí)際距離。邸志剛等[6]在文獻(xiàn)中對(duì)激光測(cè)距的原理方法進(jìn)行了分析，并對(duì)激光測(cè)距技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。楊慧敏等[7]在文獻(xiàn)中提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的高精度脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)。激光測(cè)距范圍較遠(yuǎn)，可達(dá)數(shù)十公里，但容易受到煙霧、灰塵、雨滴的干擾，計(jì)時(shí)精度要求高，成本相對(duì)較高，還需要注意對(duì)人體的危害。毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，不易受環(huán)境因素干擾，相對(duì)激光雷達(dá)成本低，且對(duì)人的傷害較小。因此，毫米波雷達(dá)得到廣泛應(yīng)用。毫米波雷達(dá)具有角分辨率高、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，可作為傳感器應(yīng)用到距離測(cè)量中。不少學(xué)者對(duì)毫米波雷達(dá)在測(cè)距方面進(jìn)行了研究。徐晴等[8]提出了利用ARM 芯片為主控制器，以LFMCW 雷達(dá)采集信息通過(guò)傅里葉變換提取測(cè)量目標(biāo)距離的方式進(jìn)行測(cè)距。但該系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理不全面，存在準(zhǔn)確度不同的問(wèn)題。

毫米波雷達(dá)技術(shù)和FMCW（Frequency-Modulated Continuous Wave，調(diào)頻連續(xù)波）技術(shù)是兩種在高精度雷達(dá)測(cè)距中使用的技術(shù)。其基本原理為發(fā)射波為高頻連續(xù)波，其頻率隨時(shí)間按照三角波等規(guī)律變化。目前已有集成了FMCW 技術(shù)和毫米波雷達(dá)技術(shù)的傳感器。因此，可利用FMCW 毫米波雷達(dá)傳感器，以STM32 嵌入式芯片為主控器結(jié)合其他元器件組成一個(gè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的高精度距離測(cè)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

■1.1 毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)組成

毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)主要由毫米波雷達(dá)、STM32 嵌入式微控制器、鍵盤電路、時(shí)鐘電路、LCD 顯示電路、WIFI模塊組成，系統(tǒng)組成如圖1 所示。STM32 微處理器對(duì)來(lái)自毫米波雷達(dá)傳感器的信息進(jìn)行處理，計(jì)算出的距離信息通過(guò)LCD 液晶顯示器呈現(xiàn)出來(lái)，另外有關(guān)信息可通過(guò)WIFI 模塊傳送到云平臺(tái)，再由云平臺(tái)將信息發(fā)送到移動(dòng)終端，如手機(jī)等，可通過(guò)移動(dòng)終端讀取相關(guān)信息，鍵盤電路可進(jìn)行測(cè)距系統(tǒng)操作。

圖1 毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)組成圖

■1.2 功能模塊的選擇

1.2.1 STM32 微處理器的選擇

STM32 微控制器是系統(tǒng)的主要器件，在滿足功能要求的情況下主要考慮性價(jià)比，通過(guò)對(duì)目前市面上比較流行的幾大主流單片機(jī)芯片對(duì)比分析，STM32F407ZGT6 芯片具多個(gè)串口，主時(shí)鐘頻率達(dá)到168MHz，系統(tǒng)設(shè)計(jì)宜選用此芯片為主控制器。

1.2.2 毫米波雷達(dá)傳感器簡(jiǎn)介

毫米波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是角分辨率高、頻帶寬，抗干擾能力強(qiáng)，且有利于采用脈沖壓縮技術(shù)。FMCW 雷達(dá)傳感器發(fā)射波為調(diào)頻連續(xù)波，其頻率隨時(shí)間按照三角波等規(guī)律變化。雷達(dá)接收的回波的頻率與發(fā)射的頻率變化規(guī)律相同，都是三角波規(guī)律，只是有一個(gè)時(shí)間差，利用這個(gè)微小的時(shí)間差可計(jì)算出目標(biāo)距離。目前主要有24GHz 毫米波雷達(dá)和60-80GHz毫米波雷達(dá)。24GHz 毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用在測(cè)距和交通領(lǐng)域的車輛測(cè)速，60G-80G 毫米波雷達(dá)主要應(yīng)用在無(wú)人駕駛，汽車周圍目標(biāo)檢測(cè)，人體生命探測(cè)等領(lǐng)域。市面上根據(jù)不同波段的毫米波雷達(dá)制作了各種類型的模塊。有24GHz 毫米波雷達(dá)制作的模塊，如HLK-LD116S-24G 24GHz 毫米波雷達(dá)傳感器。Texas Instruments 公司的xWR1843 毫米波雷達(dá)傳感器能夠在76GHz 至81GHz 頻帶內(nèi)工作，xWR1843 是一種獨(dú)立的FMCW 雷達(dá)傳感器芯片，并具有高達(dá)4GHz 的連續(xù)線性調(diào)頻。有用xWR1843（IWR1843 和AWR1843）芯片開(kāi)發(fā)的76GHz-81GHz 雷達(dá)模組，這些模組應(yīng)用范圍較廣，AWR1843 可用于測(cè)距，但價(jià)格較貴。因此，綜合考慮采用24GHz 毫米波雷達(dá)傳感器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 毫米波雷達(dá)傳感器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括24GHz毫米波雷達(dá)傳感器、LCD 顯示模擬、WiFi 無(wú)線通信模塊等功能器件與STM32 單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)?，F(xiàn)主要對(duì)毫米波雷達(dá)傳感器電路設(shè)計(jì)。

毫米波雷達(dá)傳感器基本組成包括發(fā)射端TX、接收端RX、混頻器和混合器等?；祛l器生成一個(gè)Chirp 信號(hào)，再由發(fā)射端TX 的天線發(fā)送出去，當(dāng)Chirp 信號(hào)遇到目標(biāo)后，反射回來(lái)到接收端RX 天線上，RX 信號(hào)和TX 信號(hào)經(jīng)混合器進(jìn)行混合后得到中頻信號(hào)IF。

西安鴻達(dá)中電測(cè)控設(shè)備有限公司提供的24G 毫米波測(cè)距雷達(dá)D303 模塊可以用于測(cè)量短距離，D303 模塊實(shí)物圖及引腳接口圖如圖2 所示。模塊采用串口通信方式，將串口接口電路引腳與STM32 微處理器的串口相連可正常工作，電路較簡(jiǎn)單。該模塊可通過(guò)串口協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送測(cè)量的距離值。

圖2 D303 模塊實(shí)物圖及引腳接口圖

■2.2 WiFi 電路設(shè)計(jì)

WiFi 用于與云平臺(tái)進(jìn)行無(wú)線通信，采用ESP8266 WiFi功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，這個(gè)模塊共有16 個(gè)接口。其中關(guān)鍵引腳有：REST 是復(fù)位功能，RXD 引腳接收信息、TXD 引腳用于發(fā)送信息。RT9193-33 電源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)將5V 電源轉(zhuǎn)換成3.3V 電源，GPIO15、GPIO0 引腳分別接電源地和3.3V。通過(guò)P1 接頭與STM32 有關(guān)引腳相連接。具體電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 WiFi 模塊接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 主控程序設(shè)計(jì)方法

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)外界的干擾，為了防止系統(tǒng)在遇到干擾時(shí)無(wú)法正常運(yùn)行，系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上加入了看門狗程序，保障系統(tǒng)運(yùn)行不出差錯(cuò)，主程序流程圖如圖4 所示。STM32F4 微處理器的中斷系統(tǒng)可配置16 個(gè)不同優(yōu)先級(jí)別的中斷，并且中斷之間還可以嵌套中斷。首先對(duì)STM32F4微處理器初始化，進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分組，需要置兩個(gè)響應(yīng)優(yōu)先級(jí)和兩個(gè)搶斷優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)滴答計(jì)時(shí)器的初始化是為了做精準(zhǔn)的延時(shí)而準(zhǔn)備的，延時(shí)函數(shù)在每個(gè)模塊基本上都有調(diào)用。最后對(duì)各個(gè)模塊初始化，對(duì)STM32F4 最小系統(tǒng)I/O 口的參數(shù)以及模式進(jìn)行配置，主要有串口的配置、ADC、TTL 串口、PWM 的功能配置。完成了初始化后，系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)WiFi模塊有沒(méi)有成功連接路由器。在WiFi 成功連接之后開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，是否有要進(jìn)行測(cè)距數(shù)據(jù)發(fā)送，并通過(guò)通信方式向移動(dòng)終端或手機(jī)APP 或者 PC 端發(fā)送數(shù)據(jù)。如果要進(jìn)行測(cè)距，系統(tǒng)顯示屏將會(huì)紅色提示，否則，顯示屏將會(huì)是藍(lán)色，表示正常。

圖4 主程序流程圖

■3.2 FMCW 毫米波雷達(dá)傳感器測(cè)距算法

FMCW 雷達(dá)發(fā)射的是掃頻信號(hào)（三角波或鋸齒波），一個(gè)信號(hào)稱為Chirp，一個(gè)Chirp 是正弦曲線，其頻率隨時(shí)間線性增加，幅度與時(shí)間的關(guān)系如圖5 所示。通常采用頻率和時(shí)間的關(guān)系圖（f-t 圖）來(lái)分析一個(gè)Chirp 信號(hào)，一個(gè)Chirp 的特征包含起始頻率（fc），帶寬（W）和持續(xù)時(shí)間（Tc）等，Chirp 的斜率定義了帶寬上升的速率。在此設(shè)計(jì)中，設(shè)定線性調(diào)頻脈沖在40μs 內(nèi)掃描4GHz 的帶寬，對(duì)應(yīng)斜率S為100MHz/μs，如圖6 所示。

圖5 Chirp 信號(hào)A—t 圖

圖6 Chirp 信號(hào)f—t 圖

信號(hào)以fc 的正弦波開(kāi)始，然后頻率不斷增大，Chirp 信號(hào)的起始頻率為fc，帶寬為W，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為Tc，頻率變化率為斜率，則斜率S 為：

混頻器有兩個(gè)輸入一個(gè)輸出，如果向混頻器的兩個(gè)輸入端口輸入兩個(gè)正弦波，那么混頻器輸出正弦波的瞬時(shí)頻率等于兩個(gè)輸入正弦波的瞬時(shí)頻率差值，輸出正弦波的起始相位等于兩個(gè)輸入正弦波的起始相位差值。發(fā)射的Chirp 信號(hào)被物體反射后到接收端接收到信號(hào)的時(shí)間用t 來(lái)表示，設(shè)被測(cè)距離為d，光速用c 表示，則有：

接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)混頻后的輸出中頻信號(hào)IF 頻率恒定，假設(shè)IF 的頻率為f，則有：

由上面公式可以得出被測(cè)量的距離d 與IF 信號(hào)頻率f之間的關(guān)系式為：

因此，分析出頻率f，就可以得到距離d。但這是相對(duì)靜止情況下的測(cè)量方式，沒(méi)有考慮多普勒頻移，相對(duì)靜止時(shí)沒(méi)有頻移。要注意的是雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)能量向外發(fā)散，隨著距離d 的增加，能量以平方量級(jí)的速度縮小。

D303-24G 型號(hào)的24GHz 毫米波測(cè)距雷達(dá)模塊具有發(fā)射頻率為24-24.25GHz，發(fā)射功率為5dBm，采用TTL 串口方式，串口通信波特率為115200，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，固定查巡命令格式（HEX）為：55 5A 02 D3 84，模塊接收成功后發(fā)送距離等數(shù)據(jù)，具體通信格式如表1、表2 所示。

表1 發(fā)送模塊的上行數(shù)據(jù)

表2 接收模塊的下行數(shù)據(jù)

說(shuō)明：距離：占2 位，高位在前。狀態(tài)：0：無(wú)人，1：有人。微動(dòng)：0：無(wú)微動(dòng)，1：有微動(dòng)。雷達(dá)關(guān)閉：0：沒(méi)有關(guān)閉，1：已關(guān)閉。校驗(yàn)：和校驗(yàn)。

說(shuō)明：命令號(hào)：設(shè)置最大檢測(cè)距離的命令號(hào)為：0XE5，固定字節(jié)。命令參數(shù)：設(shè)置最大檢測(cè)距離，占2字節(jié)，高位在前。

對(duì)D303～24G 型號(hào)的24GHz 毫米波測(cè)距編程時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按此通信協(xié)議進(jìn)行。

■3.3 WiFi 模塊程序設(shè)計(jì)

在對(duì)WiFi 模塊進(jìn)行編程之前，先要對(duì)WiFi 模塊進(jìn)行固件庫(kù)改寫，在固件庫(kù)改寫成功之后才能進(jìn)行編程，程序流程圖如圖7所示。圖中的“喂狗”就是上一節(jié)提到的看門狗程序，協(xié)議處理可直接調(diào)用庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。WiFi 設(shè)備通過(guò)配置入網(wǎng)，可由按鍵啟動(dòng)相應(yīng)的連接模式，并對(duì)配置好的路由器進(jìn)行連接。WiFi 設(shè)備與云服務(wù)器是雙向通信，APP 端的操作信息通過(guò)云服務(wù)器發(fā)送到WiFi 設(shè)備，WiFi 設(shè)備接收完成后，微處理器（MCU）將會(huì)收到協(xié)議幀格式的數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)將會(huì)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。每隔一段時(shí)間都會(huì)進(jìn)行一次抓包，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析后的數(shù)據(jù)能被MCU 識(shí)別從而發(fā)起事件處理。傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠被MCU 儲(chǔ)存，然后這些數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到WiFi 設(shè)備，WiFi設(shè)備將數(shù)據(jù)輸送至機(jī)智云端服務(wù)器，再傳輸?shù)接脩艚K端。

圖7 WiFi 模塊工作流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

毫米波雷達(dá)具有角分辨率高、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)MCW 毫米波雷達(dá)具有多普勒頻移大等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于測(cè)距、定位、人體生命探測(cè)等各方面。項(xiàng)目研究了FMCW 毫米波雷達(dá)器的測(cè)距原理，并采用D303-24G 型號(hào)的24GHz 毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)了測(cè)距系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可進(jìn)行距離的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了有關(guān)功能，該系統(tǒng)還可以進(jìn)行移動(dòng)物體的檢測(cè)。但由于傳感器和設(shè)計(jì)方面的原因，測(cè)量的距離只有3 米左右，誤差為2cm，精度不高，有待進(jìn)一步完善和優(yōu)化。