MCU+DSP的LFMCW雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司　陳　勇

1.LFMCW雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)方案

基于MCU+DSP雙核架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其具體方案如圖1。此系統(tǒng)主要就是將單片機(jī)信號(hào)采集與處理作為其重要核心，其中DSP是信號(hào)處理的關(guān)鍵，而單片機(jī)主要的作用就是生成調(diào)制信號(hào)、調(diào)理差頻信號(hào)調(diào)理，進(jìn)行采集處理;同時(shí)，DSP也具有測(cè)距算法、串口通信等功能，其中在單片機(jī)中以及DSP的信息傳遞以及通信主要就是通過高速SPI方式開展。

圖1　LFMCW雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)方案

射頻前端部分采用24 GHz LFM-CW雷達(dá)傳感器，其VCO調(diào)制信號(hào)電壓以及發(fā)射頻率曲線節(jié)能型控制。調(diào)制信號(hào)電壓主要就是要控制在1.20V～2.46V之間，發(fā)射信號(hào)線的發(fā)射頻率為24.040GHz～24.505GHz，調(diào)頻寬帶的數(shù)值為465MHz。MCU主要應(yīng)用G8051F120，輸出頻率坐高可達(dá)到50kHz，通過相位累加的算法，利用自定義函數(shù)表示周期信號(hào)。在G8051F120中集12位ADS，通過編程對(duì)其轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行控制，最大數(shù)值為100 ksps。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊

在雷達(dá)前端壓控振蕩器中存在較為顯著的非線性的特征，可以利用三角波節(jié)能型的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行連續(xù)波頻率的系統(tǒng)調(diào)整，且其并沒有線性變化。而通過對(duì)雷達(dá)前端中的開環(huán)矯正、閉環(huán)矯正的方式改善VCO輸出信號(hào)線性度進(jìn)行改善。在工程中主要應(yīng)用的方式就是開環(huán)矯正。通過調(diào)制信號(hào)電壓以及對(duì)發(fā)射頻率之間的關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，通過非線性的調(diào)制電壓信號(hào)的驅(qū)動(dòng)雷達(dá)傳感器，降低VCO中的非線性影響。

設(shè)計(jì)主要就是通過G8051F120中的DAC，利用直接的數(shù)字頻率進(jìn)行DDS原理的合成；利用非線性矯正的方式進(jìn)行各種信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，對(duì)調(diào)整信號(hào)進(jìn)行調(diào)用生成。波形產(chǎn)生主要就是通過累加器、定時(shí)器以及存儲(chǔ)器進(jìn)行調(diào)用，在進(jìn)行定時(shí)器的調(diào)整過程中，通過相位累加器的數(shù)值進(jìn)行PHASEADD的增加 ，在通過存儲(chǔ)器進(jìn)行DAC輸出數(shù)值的查找。

在DDS輸出信號(hào)的頻譜中涵蓋了理想輸出頻率、高頻干擾以及DDS數(shù)字雜散，對(duì)此必須要對(duì)其進(jìn)行濾波處理。DAC要通過低通濾波器產(chǎn)生三角波信號(hào)，要對(duì)高頻干擾進(jìn)行濾除，在通過OP284放大器進(jìn)行信號(hào)放大處理，并且將放大電路輸出作為雷達(dá)傳感器的信號(hào)輸入，具體的電路如圖2：

圖2　調(diào)制信號(hào)濾波電路原理圖

2.2　信號(hào)采集模塊

在雷達(dá)方程中的LFMCW測(cè)量的實(shí)際距離以及差頻信號(hào)之間的功率之間是四次方，在遠(yuǎn)距離的測(cè)量過程，相關(guān)信號(hào)以及噪聲信號(hào)進(jìn)行混雜，導(dǎo)致有用信號(hào)收到干擾。同時(shí)，差頻信號(hào)中還是存在一定的固定頻率的信號(hào)干擾，這樣就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)誤判的問題，對(duì)此必須在信號(hào)采集之前必須要進(jìn)行濾波的處理。

在設(shè)計(jì)理論測(cè)距范圍主要為1m～10 m，調(diào)制信號(hào)帶寬B的數(shù)值為465 MHz，掃頻周期T數(shù)值為4 ms。在設(shè)計(jì)過程中通過NE5532進(jìn)行二階巴特沃斯有源低通濾波器以及高通濾波器的構(gòu)建。在將低通的濾波器以及高通濾波器級(jí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)帶通類型的濾波器，其主要范圍為1. 55 kHz ～15. 5 kHz，放大倍數(shù)，二倍頻的衰減數(shù)值為24 dB，保障其與差頻信號(hào)濾波的實(shí)際需求相吻合。

要基于奈奎斯特采樣定理進(jìn)行ADC的采樣，保障其采樣率高于差頻信號(hào)的最高頻率數(shù)值的2倍。同時(shí)ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)要選擇12位，應(yīng)用的電壓為內(nèi)置的參考電壓。必須要綜合實(shí)際需求以及其成本等內(nèi)容。保障單片機(jī)中內(nèi)置的ADC與既定的需求一致，同時(shí)，其內(nèi)置的ADC模塊不占用CPU內(nèi)存，在這種狀況之下進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)。此種設(shè)計(jì)模式具有穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，且成本較低。

2.3　SPI通信模塊

在實(shí)踐中可以可以將MCU采集整理到的差頻信號(hào)數(shù)據(jù)通過高效的方式進(jìn)行傳遞，在DSP中進(jìn)行處理，這樣可以滿足實(shí)時(shí)性的需求。同時(shí)在串行外設(shè)接口中通信的占用接口相對(duì)較少，且通信速度相對(duì)較快，也可以在C8051F120以及TMS320F28335上運(yùn)行，效果顯著。

SPI通信硬件主要分為主機(jī)以及從機(jī)兩個(gè)部分，在操作將主機(jī)以及叢機(jī)進(jìn)行鏈接，將主機(jī)的發(fā)送以及叢機(jī)的接收系統(tǒng)進(jìn)行鏈接，在將主機(jī)的接收以及叢機(jī)的發(fā)送進(jìn)行鏈接，將主機(jī)與叢機(jī)的時(shí)鐘、使能四根線進(jìn)行連接，就可以實(shí)現(xiàn)通信。

基于叢機(jī)選擇線的SPISIEA使能的實(shí)際狀況，將叢機(jī)以及主機(jī)的SPI時(shí)鐘線進(jìn)行鏈接，這樣主機(jī)以及叢機(jī)在通信過程中就不會(huì)需要起始位、停止位等同步的格式位，只要直接的把其采集整理到的信息數(shù)據(jù)與主機(jī)中SPI時(shí)鐘線進(jìn)行鏈接，這樣就是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)信息內(nèi)容的有效發(fā)送以及傳遞控制。叢機(jī)在接受到較為完整的信號(hào)之后，設(shè)置的中斷標(biāo)志就會(huì)接受信息數(shù)據(jù)，在將引動(dòng)寄存器受到的信息內(nèi)容進(jìn)行然后，將其在主機(jī)的SPI接收數(shù)據(jù)的寄存器SPIRXBUF中進(jìn)行處理，進(jìn)而完成單片機(jī)以及DSP之間的信息傳遞以及通信處理。

圖3　程序流程圖

2.4　串口通信模塊

C8051F120可以同時(shí)支持兩個(gè)UART串行端口的應(yīng)用，可以支持單片機(jī)以及相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中不歸零格式中的異步外部設(shè)備之間的信息傳遞以及通信。因?yàn)樵谏衔粰C(jī)的串口中主要就是應(yīng)用RS-232中的DB9接頭，對(duì)此可以將UART與MAX3232進(jìn)行連接，這樣就可以將TTI、電平以及RS-232之間的轉(zhuǎn)換組偶爾。在操作中將發(fā)送信號(hào)線、接受信號(hào)線以及地線進(jìn)行連接就可以作為全雙工通信。

2.5　信號(hào)處理模塊

在DSP中主要就是通過相頻匹配的頻率估計(jì)算法進(jìn)行信號(hào)處理。此種方法誤差是現(xiàn)階段測(cè)距精度相對(duì)較高的一種算法，主要就是通過計(jì)算量相對(duì)較小的算法進(jìn)行頻率的估計(jì)分析，在通過頻率對(duì)其估計(jì)數(shù)值進(jìn)行構(gòu)建，獲得參考信號(hào)，然后基于參考信號(hào)以及自定義的各種信號(hào)系統(tǒng)，基于柯西不等式進(jìn)行誤差函數(shù)的構(gòu)建，誤差函數(shù)獲得最小的時(shí)候其相關(guān)頻率就是估計(jì)的頻率數(shù)值。

2.6　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)工作的過程中，首先要進(jìn)行初始化啟動(dòng)作業(yè)，設(shè)置初始化控制、做到接口初始化、中斷設(shè)置等進(jìn)行初始化作業(yè)，在中斷程序，在中斷程序作業(yè)中，MCU要生成調(diào)制信號(hào)、集合各種信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)DSP的信號(hào)處理。而在進(jìn)行中斷程序作業(yè)過程中必須要通過間隔512個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的采集與處理，在利用信號(hào)處理方式進(jìn)行函數(shù)的信號(hào)處理，這樣就可以獲得一定的距離信息數(shù)據(jù)。然后，將距離信息通過串口的方式進(jìn)行信息傳遞將其發(fā)送給上位機(jī)，具體流程如圖3。

3.結(jié)束語

線性調(diào)頻連續(xù)波類型的雷達(dá)是一種最小測(cè)量距離近、高精度，受自然環(huán)境影響相對(duì)教學(xué)的雷達(dá)。在液位測(cè)量、無人駕駛以及警戒監(jiān)控等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)主要就是基于現(xiàn)有的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)主要基于 MCU+DSP系統(tǒng)開展。其中DSP的浮點(diǎn)運(yùn)算能力相對(duì)較強(qiáng)，支持復(fù)雜的算法那，但是其外設(shè)的驅(qū)動(dòng)能力相對(duì)較弱，可以為農(nóng)村系統(tǒng)控制以及信號(hào)采集以及處理，在一定程度上降低了其預(yù)算能力。而MCU系統(tǒng)的外設(shè)較為豐富，運(yùn)算能力相對(duì)較弱，無法進(jìn)行復(fù)雜算法的操作。

[1]王斯盾,劉鵬.MCU+DSP的LFMCW雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2017,17(12).

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