CN105182323A - 一种fmcw雷达测距系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FMCW雷达测距系统，其特征在于：所述的测距系统包括DDS模块产生周期为T的三角波对FMCW雷达传感器得到中频信号进行调制，调制后的中频信号经过AGC放大滤波电路后通过信号处理模块得到距离数据，距离数据再通过ZigBee通信模块送入上位机。由于采用上述的结构和方法，本发明结合FMCW雷达测距技术和ZigBee无线通信技术，在复杂的工业现场可以实现准确稳定的距离测量并且大大降低了现场安装布线的难度，具有较好的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及容器内液位检测领域，特别涉及一种FMCW雷达测距系统。
背景技术
对容器内液位等的检测，传统的距离测量设备由于粉尘、水汽、温度等影响而不能准确地工作，而基于电磁波反射特性的FMCW雷达可以在复杂环境下安全、准确地进行液位测量。
但是目前多数雷达测距系统的通信采用有线传输方式，现场安装布线比较复杂。
针对上述问题，提供一种新型的测距系统，实现工业现场的无线通信，取代现有的有线传输方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种FMCW雷达测距系统，实现工业现场的无线通信，达到取代现有的有线传输方式的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种FMCW雷达测距系统，其特征在于：所述的测距系统包括DDS模块产生周期为T的三角波对FMCW雷达传感器得到中频信号进行调制，调制后的中频信号经过AGC放大滤波电路后通过信号处理模块得到距离数据，距离数据再通过ZigBee通信模块送入上位机。
所述的信号处理模块包括A/D转换单元和算法处理单元。
所述的ZigBee通信模块包括CC2530发射模块和CC2530接收模块。
所述的信号处理模块连接显示模块对采集的距离数据进行现场显示。
所述的算法处理单元通过中频信号计算距离数据的算法为：
s＝cTfb/4B
其中，B为扫频宽度、fb为差频信号频率、c为光速、T为扫频周期。
一种FMCW雷达测距系统，由于采用上述的结构和方法，本发明结合FMCW雷达测距技术和ZigBee无线通信技术，在复杂的工业现场可以实现准确稳定的距离测量并且大大降低了现场安装布线的难度，具有较好的实用价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；
图1为本发明一种FMCW雷达测距系统的结构示意图；
图2为本发明一种FMCW雷达测距系统的原理图；
图3为本发明一种FMCW雷达测距系统中FMCW雷达发射信号、回波信号及差频信号示意图；
在图1中，1、DDS模块；2、雷达传感器；3、AGC放大滤波电路；4、信号处理单元；5、ZigBee通信模块；6、上位机；7、显示模块；8、CC2530发射模块；9、CC2530接收模块；10、A/D转换单元；11、算法处理单元。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明主要包括三个模块：DDS模块1、信号处理模块4和ZigBee通信模块5。系统工作时，DDS模块1产生周期为T的三角波，该三角波调制FMCW雷达传感器2得到中频信号，中频信号中含有距离信息，但是也有很多干扰信息，经过AGC放大滤波电路3、调整得到适合模数转换器的输入信号。DSP对模数换后的数据进行处理得到距离数据，再通过串口送入ZigBee通信模块。在上位机上显示出测量结果。信号处理模块4包括A/D转换单元10和算法处理单元11。ZigBee通信模块5包括CC2530发射模块8和CC2530接收模块9。信号处理模块4连接显示模块7对采集的距离数据进行现场显示。
1)DDS模块
FMCW雷达传感器2需要一个调制波形控制VCO才能工作。三角波调制可以克服多普勒干扰，且在高精度测量时抗干扰能力更强，因此本发明使用三角波调制VCO。根据检测距离的实际要求，三角波的频率取lkHz，幅值取0.5V～5.5V，并通过AD9833产生。DDS芯片AD9833是AD公司的一款低功耗可编程波形发生器，有28位的频率寄存器，在25MHz晶振下频率分辨率可达到0.1Hz。为了充分发挥DSP的信号处理功熊，另用Atmel公司的AT89S52单片机控制AD9833产生lkHz的三角波，所产生的三角波幅值在0V～O.6V，需要经过放太，加直流偏置得到频率为lkHz的0.5V～5.5V三角波。
2)信号处理模块
信号处理模块是系统的核心模块，在系统中起着处理中频信号的作用。选择TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812，其主频高达150MHz，且配有TI开发的算法库，可以进行快速FFT运算。TMS320F2812片内自带转换速率高达12.5MS/s的12位ADC采样模块，这样可以在DSP片内实现A/D转换，减少了硬件设计的难度。雷达前端直接输出的中频信号比较微弱而且有泄露的调制三角波干扰，不能直接进行A/D转换，因此需要滤波。为滤除中频信号中泄露三角波干扰，需设置高通滤波器，其截止频率设置为调制信号频率的5倍～lO倍，并要确保通频带的纹波系数较小。在本系统中使用无限增益多路反馈高通滤波电路，配置相关参数使得纹波系数小于0.1dB。
滤波后的中频信号幅值与距离的平方成反比，在本系统的实际测量中，范围在0.3V～0.8V。A/D转换器输入范围为OV～3V，为了充分发挥模数转换器的精度，利用AGC电路对其幅值进行放大，调整到适合模数转换器的OV～2.5V，以保留一定余量。
3)ZigBee通信模块
ZigBee通信采用TI公司的CC2530模块。DSP处理得到的数据通过串口SCTITXDA，SCIRXDA与CC2530的串口端P1_4、P1_5连接，将数据送到处于发射状态的CC2530中。CC2530利用Z-Stack协议栈实现数据的无线传输。在上位机6通过协调器的CC2530和电脑通过串口通信，协调器的CC2530通过一个USB转RS232的电路与PC机相连，这样CC2530把接收到的数据发送到上位机6。终端节点DSP与ZigBee之间的连接如图4所示。
由前端雷达、信号处理电路、数字信号处理器、ZigBee收发模块等构成了无线雷达测距系统，信号处理电路能够保证精度的前提下有效处理中频信号，并且利用DSP实现了快速大点数的FFT和公式拟合法计算结果，最终在PC机上实时显示测量结果。该系统结合FMCW雷达测距技术和ZigBee无线通信技术，在复杂的工业现场可以实现准确稳定的距离测量并且大大降低了现场安装布线的难度，具有较好的实用价值。
FMCW雷达测距系统在雷达工作时，扫频驱动电压驱动VCO(压控振荡器)产生频率变化的电磁波，其输出在时间上按三角波调制电压规律变化，目标回波信号和发射机直接耦合过来的信号在接收机混频器内混频后得到差频信号。在无线电波传播到目标并返回天线的这段时间内，发射机频率较之回波频率已经有了变化。因此在混频器的输出端便出现了差频电压。差频电压的频率包含有目标的距离信息，因而差频信号经过放大、滤波、测频等处理后就可得到目标距离。
如图3所示，实线为发射信号，虚线为遇到障碍物反射后的回波信号。底部差频信号为发射信号和回波信号混频后得到的中频信号。B为扫频宽度，f0为基频。差频信号经过处理，变换到频域，求出差频信号频率fb。图3中，由于半扫频周期T/2内频率的变化为B，因此电磁波传播延迟时间t内产生的频率变化fb＝2Bt/T,电磁波以光速c在s距离内的来回传播时间t＝2s/c，因此待测距离s为:
s＝cTfb/4B(1)
在式(1)中，c、B、T都已知，只要准确测量出fb值就可以计算出距离。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种FMCW雷达测距系统，其特征在于：所述的测距系统包括DDS模块(1)产生周期为T的三角波对FMCW雷达传感器(2)得到中频信号进行调制，调制后的中频信号经过AGC放大滤波电路(3)后通过信号处理模块(4)得到距离数据，距离数据再通过ZigBee通信模块(5)送入上位机(6)。
2.根据权利要求1所述的一种FMCW雷达测距系统，其特征在于：所述的信号处理模块(4)包括A/D转换单元(10)和算法处理单元(11)。
3.根据权利要求1所述的一种FMCW雷达测距系统，其特征在于：所述的ZigBee通信模块(5)包括CC2530发射模块(8)和CC2530接收模块(9)。
4.根据权利要求1所述的一种FMCW雷达测距系统，其特征在于：所述的信号处理模块(4)连接显示模块(7)对采集的距离数据进行现场显示。
5.根据权利要求1、2、3、4所述的一种FMCW雷达测距系统的测量方法，其特征在于：所述的算法处理单元(11)通过中频信号计算距离数据的算法为：
s＝cTfb/4B
其中，B为扫频宽度、fb为差频信号频率、c为光速、T为扫频周期。
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