陳阿輝，黃繼偉，柯玉山，邱 菁

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福州350116）

物位檢測儀表是在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的智能測量儀表。目前，市面上的許多雷達(dá)物位檢測裝置都是以MCU+DSP結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的核心處理器，即MCU負(fù)責(zé)接口控制，DSP則進(jìn)行測距算法的運(yùn)算。顯然，這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)由于采用2個(gè)主處理器，使得硬件體積增大和成本增加，也給程序設(shè)計(jì)和更新帶來諸多不便。近些年，隨著ARM Cortex-M4處理器的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)控制和信號處理兩大功能的數(shù)字信號控制器DSC芯片的成本越來越低，使得用DSC芯片來替代MCU+DSP結(jié)構(gòu)成為可能。在此，設(shè)計(jì)了一款物位檢測系統(tǒng)，以ARM Cortex-M4的STM32F407芯片為核心處理器，其具有168 MHz的主頻和192 kB的內(nèi)部SRAM，外設(shè)資源豐富，帶有DSP指令集和硬件FPU單元，足以滿足系統(tǒng)的外設(shè)控制以及算法快速運(yùn)算的要求[1]。

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)連續(xù)物位測量、上位機(jī)通信和報(bào)警輸出3個(gè)功能。物位測量采用測頻法，處理器每隔一段固定時(shí)間就對雷達(dá)收發(fā)模塊的差頻輸出信號進(jìn)行AD采樣并計(jì)算頻率，通過測距公式將頻率轉(zhuǎn)換為所測量的距離[2]；上位機(jī)通信是處理雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)的重要手段，任何需要處理的數(shù)據(jù)都可以傳輸給上位機(jī)，方便對程序的調(diào)試；報(bào)警輸出是對工業(yè)生產(chǎn)中過程控制的重要保障，一旦物料的存儲高度低于物位低點(diǎn)或高于物位高點(diǎn)，系統(tǒng)都會向進(jìn)出料控制裝置發(fā)出報(bào)警信號，以避免儲料倉中沒有物料或物料溢出的情況發(fā)生。

1 雷達(dá)測距原理和方法

1.1 雷達(dá)測距原理

雷達(dá)測距采用調(diào)頻連續(xù)波FMCW技術(shù)[3]，通過鋸齒波頻率調(diào)制，使得發(fā)射的信號在時(shí)間-頻率曲線上呈現(xiàn)鋸齒波形狀，發(fā)射信號在遇到物料表面后發(fā)生反射產(chǎn)生回波信號，回波信號在時(shí)間-頻率曲線上也呈現(xiàn)鋸齒波形狀，此時(shí)發(fā)射信號與接收信號的頻率差與反射目標(biāo)的距離成正比。雷達(dá)的鋸齒波頻率調(diào)制原理如圖1所示。

圖1 雷達(dá)的鋸齒波頻率調(diào)制原理Fig.1 Frequency modulation principle of sawtooth wave

根據(jù)圖中所示的三角關(guān)系，信號從發(fā)射到接收所經(jīng)過的時(shí)間Δt為

式中：B為頻率調(diào)制帶寬；T為鋸齒波周期即掃頻周期；fd為發(fā)射信號與回波信號的頻率差。

雷達(dá)測距原理如圖2所示。假設(shè)電磁波速度為c，則測量的距離D為

圖2 雷達(dá)測距原理Fig.2 Radar ranging principle

由于在雷達(dá)收發(fā)模塊中，調(diào)頻帶寬B和掃頻周期T均已知，發(fā)射信號與回波信號的頻率差就是差頻信號的頻率，因此，只需要精確求出差頻信號頻率就可以獲得所要測量的距離。

1.2 頻率測量算法的實(shí)現(xiàn)

通過ADC接口對雷達(dá)收發(fā)模塊的差頻輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并根據(jù)采樣的數(shù)據(jù)運(yùn)行頻率測量算法，得出差頻信號的精確頻率，本系統(tǒng)采用FFT+Chirp-Z聯(lián)合算法計(jì)算信號頻率[4]。

FFT算法計(jì)算頻率的精度不高，頻率分辨率受采樣頻率和分析數(shù)據(jù)長度的影響，而DSP的計(jì)算能力有限，不可能通過無限制的增加分析數(shù)據(jù)長度提高頻率分辨率，因此，僅用FFT計(jì)算頻率不能得到很高的精度。

Chirp-Z變換常用于對某一頻率段進(jìn)行頻譜細(xì)化處理，與FFT聯(lián)合使用，可以在不改變采樣頻率和采樣長度的情況下，有效地提高信號的頻率估計(jì)精度。FFT+Chirp-Z聯(lián)合算法原理如圖3所示，首先通過FFT計(jì)算，找到信號在頻域中的幅度最大值，假設(shè)該最大值在第k根譜線，則對應(yīng)的信號頻率為f（k），這時(shí) FFT 的頻率分辨率 Δ f為

式中：fs為采樣頻率；N為采樣長度。為了提高信號的頻率估計(jì)精度，在 f（k-1）～ f（k+1）這一頻率段內(nèi)運(yùn)用Chirp-Z變換進(jìn)行M點(diǎn)的頻譜細(xì)化，則頻譜細(xì)化后信號頻率估計(jì)精度Δ fz為

圖3 FFT+Chirp-Z聯(lián)合算法原理Fig.3 Principle of FFT+Chirp-Z algorithm

只要M>3，使用Chirp-Z變換就可以起到提高頻率估計(jì)精度的作用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由STM32F407最小系統(tǒng)、雷達(dá)收發(fā)模塊、報(bào)警輸出電路、LCD顯示電路、紅外遙控輸入電路和上位機(jī)等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of the system

STM32F407作為信號處理和外設(shè)控制的核心，負(fù)責(zé)對雷達(dá)收發(fā)模塊的控制、同步檢測、差頻信號的AD采樣、控制繼電器輸出報(bào)警信號、LCD數(shù)據(jù)顯示、芯片內(nèi)部溫度傳感測量、紅外遙控處理、上位機(jī)串口通信以及測距算法實(shí)現(xiàn)等任務(wù)。LCD顯示與紅外遙控輸入模塊共同構(gòu)成了人機(jī)交互電路，可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)試任務(wù)。

2.1 雷達(dá)收發(fā)模塊的接口電路

該電路主要包括SPI接口、3個(gè)不同放大倍數(shù)的差頻信號輸出端口、芯片使能端口和同步檢測端口。STM32F407通過SPI接口控制雷達(dá)的鋸齒波調(diào)頻帶寬、掃頻周期、發(fā)射信號功率等；MUXOUT為同步檢測信號，當(dāng)1個(gè)鋸齒波掃頻周期開始時(shí)，MUXOUT輸出低電平，AD開始采樣；當(dāng)掃頻周期結(jié)束時(shí)，MUXOUT輸出高電平。通過MUXOUT信號可以精確定位每個(gè)掃頻周期。

2.2 報(bào)警輸出電路

該電路由繼電器DIP05-1A72-13L組成，繼電器的輸出端口外接物位控制裝置。當(dāng)系統(tǒng)檢測到物料高度到達(dá)警戒位時(shí)，繼電器接通，外部的進(jìn)出料控制裝置采取相應(yīng)的措施增加或減少物料的投放。

2.3 人機(jī)交互電路

人機(jī)交互電路的接口包括LCD 12864的數(shù)據(jù)和控制引腳、1個(gè)紅外遙控輸入引腳。LCD負(fù)責(zé)顯示測量值和菜單項(xiàng)，菜單包括量程選擇、發(fā)射功率選擇、輸入距離補(bǔ)償、采樣通道選擇、顯示當(dāng)前溫度等。這些設(shè)置有助于系統(tǒng)調(diào)試。

2.4 串口電路

在調(diào)試程序時(shí)，需要經(jīng)常用到串口打印數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)通過串口與上位機(jī)通信，接收來自上位機(jī)的命令，并返回上位機(jī)需要的數(shù)據(jù)信息。例如，經(jīng)過AD采樣的差頻信號數(shù)據(jù)可以通過串口傳輸給上位機(jī)，并在上位機(jī)上顯示出波形曲線。串口電路采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G搭建，TXD和RXD分別接到STM32F407的PA10和PA9引腳，D+和D-接到5腳的mini USB接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在Keil5開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。系統(tǒng)軟件包括雷達(dá)收發(fā)模塊控制程序、信號采集程序、頻率測量算法、人機(jī)交互程序。系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的主程序流程Fig.5 Main program flow chart of the system

3.1 雷達(dá)收發(fā)模塊控制程序

系統(tǒng)開始測距之前，先對雷達(dá)收發(fā)模塊的調(diào)頻帶寬、掃頻周期和信號發(fā)射功率進(jìn)行設(shè)置，使雷達(dá)模塊正常工作。處理器通過SPI與雷達(dá)模塊通信，雷達(dá)模塊包括調(diào)制信號發(fā)生器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，它們共用1個(gè)SPI接口，因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)不同的通信對象，設(shè)置相應(yīng)的片選和時(shí)序。收發(fā)模塊控制程序的流程如圖6所示。

圖6 雷達(dá)收發(fā)模塊控制程序流程Fig.6 Flow chart of radar transceiver module control program

3.2 信號采集程序

本系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)ADC接口，ADC 1負(fù)責(zé)采樣STM32F407內(nèi)部溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)；ADC 3用于對雷達(dá)差頻信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。AD采樣得到的信號并非標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，差頻信號幅度在0～3.3 V之間變動。由于雷達(dá)模塊提供了3組差頻信號輸出，每一組的放大倍數(shù)不同，需要根據(jù)測量環(huán)境的不同選擇一組最合適的差頻信號進(jìn)行采樣。因此，在ADC3初始化時(shí)需設(shè)置3個(gè)AD采樣通道來分別對應(yīng)這3組差頻輸出，同時(shí)要使能ADC3的DMA傳輸通道，打開DMA傳輸完成中斷，并設(shè)置ADC3由定時(shí)器觸發(fā)采樣[5]。ADC3的信號采集程序流程如圖7所示。每次定時(shí)器觸發(fā)AD采樣的數(shù)據(jù)都會通過DMA傳送給數(shù)組保存，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成時(shí)，DMA就會觸發(fā)傳輸完成中斷，并在中斷服務(wù)程序中關(guān)閉定時(shí)器，結(jié)束采樣。

圖7 信號采集程序流程Fig.7 Flow chart of signal acquisition program

3.3 人機(jī)交互程序

人機(jī)交互程序?qū)崿F(xiàn)顯示測量值和系統(tǒng)調(diào)試2個(gè)功能。其中系統(tǒng)調(diào)試通過紅外遙控輸入實(shí)現(xiàn)，可以通過界面的菜單操作進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。人機(jī)交互程序包括LCD顯示和紅外遙控掃描，放在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中運(yùn)行，定時(shí)器中斷的時(shí)間為1 s，即每經(jīng)過1 s，LCD界面更新1次，并且掃描1次紅外輸入。人機(jī)交互程序流程如圖8所示。

4 測試與驗(yàn)證

在測試之前，首先要了解測試用調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的相關(guān)參數(shù)。其中，調(diào)頻帶寬B為1 GHz，掃頻周期T為60 ms，ADC采樣頻率fs為40 kHz，采樣長度N為2048點(diǎn)。

圖8 人機(jī)交互程序流程Fig.8 Flow chart of human-computer interaction program

先測試上位機(jī)的工作狀況，差頻信號采集界面如圖9所示。

圖9 差頻信號采集界面Fig.9 Interface of differential frequency signal acquisition

將系統(tǒng)的雷達(dá)天線垂直對準(zhǔn)墻壁，并將系統(tǒng)前后移動，記錄在不同距離下系統(tǒng)測距的結(jié)果，并與激光測距儀的測量結(jié)果進(jìn)行對比。測量結(jié)果如表1所示。由表可知，若以激光測距儀的測距結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)的話，本系統(tǒng)測量誤差的絕對值基本小于20 mm?？梢?，所設(shè)計(jì)的雷達(dá)物位檢測系統(tǒng)的測距精度高，符合市場上對物位檢測裝置的要求。

表1 激光測距和本系統(tǒng)測距的對比Tab.1 Comparison of laser ranging and system ranging

5 結(jié)語

針對市場上物位檢測裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款基于STM32F407的雷達(dá)物位檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有連續(xù)物位檢測、報(bào)警輸出、人機(jī)界面實(shí)時(shí)調(diào)試等功能。經(jīng)過對雷達(dá)測距精度的測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)的測量誤差小，測距精度高。下一步將把系統(tǒng)放到實(shí)際應(yīng)用場合進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果改進(jìn)測距算法，進(jìn)一步提高物位檢測系統(tǒng)的測量精度。

[1]廖義奎.ARM Cortex-M4嵌入式實(shí)戰(zhàn)開發(fā)精解：基于STM32F4[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[2]HyunEugin，Young-SeokJin.Development of 24GHz FMCW Level Measurement Radar System[C]//IEEE Radar Conference，2014：796-799.

[3]朱慶彬.FMCW液位測量雷達(dá)系統(tǒng)控制及回波信號處理電路設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué)，2011.

[4]王春艷，黃仁欣，宗成閣，等.基于Chirp-Z變換的LFMCW系統(tǒng)測距算法仿真研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（26）：188-192.

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