fmcw雷达水位测量系统的设计

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万方数据声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：魈墨垂日期：丝!盛幽!望关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签名：缁主墨．．．日期：坦丝垒!塑至塑导师签名：—乏℃立4L日期：—堕盟争上盈L 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文FMcw雷达水位测量系统的设计愀燃必摘要河流水位的测量是水文测防工作中最重要的部分，目前国内水文站大多采用接触式测量方法，这种测量方法容易因为水下的泥沙等异物导致测量失准甚至是测量设备的损坏。采用FMCW雷达测量水位这一先进的非接触式测量方式可以避免上述情况，而且还具有精度和分辨率高、安装简单等优点。基于此，本文设计了FMCW雷达水位测量系统。FMCW雷达水位测量系统通过测量雷达的混频器产生的差频信号计算出雷达到河面的距离，进而得出水位。FMCW雷达水位测量系统包括几个部分：波形发生器、24GHz雷达传感器、信号采样与处理模块和实时显示模块。波形发生器发出锯齿调制波驱动雷达传感器工作，雷达传感器测回的差频信号首先输出到前端信号处理电路使之适合DSP内部ADC的采样和以后的处理。然后DSP内部的ADC模块对预处理后的信号进行采样，采样后的信号经过DSP的1024点FFT变换后得到差频信号的频率，然后根据差频频率通过得定的距离计算公式得出水位值，然后将其显示在显示屏上。本文详细介绍了FMCW雷达的测距原理，波形发生器的硬件和软件设计，DSP内部ADC模块的采样实现和FFT算法在DsP中的实现和显示模块的硬件和软件设计。最后对测量系统进行了测距实验，记录测量结果并进行了误差分T 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文析，本系统的测量相对误差在1％以内而且可以快速测量，符合实时测量要求。关键词：FMCW雷达，水位，测量系统，DSP 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文DESIGNOFFMCWLEVELRADARⅧASUl之ENⅡ烈TSYSTEMABSTRACTmverwaterlevelmeasurementisthemostimportantpartofmehydrologicalwork，atpresentdomesticmosthydrologicalstationusecontactmeasurementmethod．ThismeasurementmethodiseasilyinfluencedbyundenVatersedimenta11domerforeignbody，cancauset11ed锄ageofthephraseoreVenmeasurementequipment．UsingFMCWradarmeasuringwaterleVelcanaVoidtheaboVesituation．Itisanadvancedwayofnon—contactmeasurementmethodwitchhastheadvamagesofhighaccuracyandresolutionwitllSimpleinstallation．Basedonit，thisthesisdesignedt11eFMCWradarleVelmeasurementsystem．FMCWradarlevelmeasurementsystemcalculatesmedistancebetweenradarandwatersurfacebymeasuringtheIF(intemediate丹eqVency)signalbeproducedbymixerinsiderad2ur，thenreachthewaterlevel．FMCWradarlevelmeasurementsystemincludesseVeralp叭s：mewavef．omgenerator，24GHZradarsensor，sigllalsamplingandprocessingmoduleandreal—timedisplaymodule．WaVefomgeneratordrives廿1eradartoworkbysendmgt11esavnoothwave，theintemediateIII 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文仔equencysignalmeasuredbyradarsensorissendtothe丘。ontendsignalprocessingcircuit．ThiscirCuitcanmaketheintennediate仔equencysignalsuitableforDSPintemalADCs锄plingandsubsequentprocessing．ThentheDSPintemalADCS锄plesthesignalaRerprocessing，andDSPdo1024-pointFFT，getthe仔equencyofIFsignal．Accordingtothe仔equency，thewaterlevelcanbecalculated．ARertheresultcomingout，itwillbedisplayedontheViewingscreen．ThisthesisdescribestherangingprincipleofFMCWradar，designofwavef-omgeneratoranddisplaymodule，andimplementationofADS锄pllingandFFT．Themeasurementsystemwastested，theexperimentaldataswererecordedandanalyzed，therelatiVeerrorofmeasurementoftIlissystemiswithin士1％，someFMCWradarlevelmeasurementsystemismeettherequirements．KEYWORDS：FMCWradaur，waterleVel，measurementsystem，DSPIV 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IABS’I。I己AC。I‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1ll第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．11．1论文背景和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2FMCW雷达的发展和应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．3雷达在水文领域的应用研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．4论文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．5论文结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4第二章FMCW雷达测距的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．1FMCW雷达工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．72．2锯齿波调频测距原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8第三章水位测量系统的总体结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．153．1测量系统总体结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．153．2雷达传感器介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯163．2．1IVS．148简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯163．2．2IVS．148工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．173．2．3IVS．148接口定义和技术参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．183．2．4关于IVS．148的其它说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．203．3波形发生器简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2l3．4信号处理模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．223．5显示部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22第四章波形发生器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．234．1TMS320F28}12介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234．1．1TMS320F2812的性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．244．1．2TMS320F2812的片内外设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．244．1．3TMS320F2812最小系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．254．1．4电源电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．26V 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文4．1．5复位电路与JAlⅪ下载口电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．274．2波形发生器硬件电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．294．2．1波形发生器概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．294．2．2波形发生器外围设备的介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯304．3波形发生器的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334．3．1锯齿波输出原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．334．3．2编程实现锯齿波输出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯35第五章信号处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4l5．1外置滤波放大电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4l5．1．1高通滤波器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．415．1．2信号放大电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯425．1．3反相加法电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯435．2差频信号的AD采样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯445．2．1TMS320F2812的内部ADC模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．455．2．2AD采样的编程实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．3采样结果的FF，I’变换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．515．3．1FFT算法的优点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．525．3．2FFT在DSP中的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．525．3．3测量距离的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．54第六章结果显示模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．576．1显示器件的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯576．2FYDl2864．0402B液晶介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯586．3显示模块硬件电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯626．4显示模块的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．636．4．1FYDl2864．0402B指令说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯636．4．2编程实现结果显示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．65第七章测量系统测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．717．1系统测试环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．717．2系统的测量结果及误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71VI 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文VIILru7●1qo78●r、一文●，、l一论●、‘一一术一学望一一的展一表和一发结一问总一一期献一位章文一学八考谢读第参致攻 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文VIII 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文1．1论文背景和研究意义第一章绪论我国境内河流、湖泊众多，水文情况极为复杂，为了能够避免因水患给国家带来不可估量的生命财产损失和深重灾难，做好水文的测量防范工作是十分必要的，其中河流的流量及水位的测量更是工作中的重中之重。随着科技的发展，自动测量系统逐渐代替了传统的人力测量，现在全国的水文站大多安装有自动测量系统，部分水文站也正在着手安装或者改装成该类设备。但是，目前全国范围内的水文站的自动测量系统大多采用接触式测量方法，即测量设备进入河面之下，和水流直接接触进行测量，如用于侧流速的旋转测速仪，搭载接触式测量设备的悬杆和铅鱼等，这种方法容易因为水下的泥沙等异物导致测量失准甚至是测量设备的损坏。如果一旦设备损坏，维修起来比较繁琐和困难。因此，也有一小部分水文站购进了一些非接触式测量设备(测量设备不需要进入河面之下)进行水文参数测量。利用超声波传感器测量水位和流速是在水文测量中一种比较常见的方法，相应的设备如手提式超声流速仪等。它通过测量仪的发射探头发出超声波，经过河面的反射，回波被探头接收，利用两个波形的时间延迟可以计算出河面的高度【l】【21，利用多普勒频率可以计算出河面的流速。但是周围环境很容易影响超声测量设备的测量精度，而且超声波测流设备的安装及维护都比较繁琐。利用激光传感器测量水位也是一种可以考虑的方法，也是利用发射波和回波的时延来计算河面高度的【3】，激光的线性度好，测量精度高，但是它也容易被周围的环境所影响，如空气中的灰尘甚至空气的密度都会影响其精度【4】，目前在水文测量中应用还较少。利用电磁波测量河流的流量和水位是一种比较好的方法，它是目前最先进的非接触式测量方法【5j，不易受恶劣河流环境的影响，稳定性强，准确性高，而且它可测量的有效距离也大大超过了同样采用非接触式测量方式的超声波设备。但是，目前国内外普遍采用脉冲雷达测量水位，价格昂贵而且还不能测量河流流速，FMCW(调频连续波)雷达可以实现水位和流速的测量。目前市场上比较常见的是FMCw雷达液位计，少有FMCW雷达水位计和流速测量仪，而且水位计也基本都是国外产品。 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文所以现在基本没有水文站采用FMCW雷达来测量水位和流速，但是又有这样的需求。另外，文献中关于FMCW雷达如何实现高精度水位和流速测量的核心技术介绍的少之又少，极少对测量精度方面和对影响测量精度的因素进行分析，而且没有一个相应的计量机构建立标准，这就为FMCW水位、流速测量雷达的研究带来一定的困难，因此本文的工作重点就是设计一个FMCW雷达水位测量系统，在此实验平台上，设置两种可以选择的驱动波形，分别实现水位和流速的测量，而且可以通过自己编写算法，来测试不同参数下的测量精度和分辨率。1．2FMCW雷达的发展和应用雷达(I己ad砌是英文＆以ioDetectionand凡mging(无线电探测和定位)的缩写音译，是第二次世界大战期间同盟国(主要是英国)开发的新技术，它在粉碎纳粹德国对英国的空袭中起着极其重要的作用。雷达技术了到今天已经经历70多年时间的发展【6】，现代的雷达已经远远超出最初对目标探测和测量距离的基本功能r71。雷达利用接收到的电磁波信号相对发射的电磁波信号的时间延迟探测目标的距离【8】，利用回波信号的多普勒频移探测目标的速度，目标的角度则由天线波束的方向可以测量。按照发射信号的不同，雷达分为脉冲雷达和FMCW(FrequencyModulatedContinuouSW撕e，调频连续波)雷达两种。脉冲雷达的工作原理是由雷达发射一系列的脉冲信号，然后接收经过被测物体反射之后的回波，回波信号与发射信号之间会有一段时间迟，因为电磁波以光速传播，所以根据延迟的时间就可以计算出被测物体与雷达之间的距离。FMCW雷达则是在一个扫频周期内连续发射频率在一定范围内或是固定频率的电磁波，经过被测物体的反射后的回波信号被雷达的接收模块接收，回波信号的频率相对于发射信号有一定频率差及相位差，根据频率差就可以计算出目标与雷达之间的距离和速度信息【91。因为脉冲型雷达发射的脉冲宽度非常小，能够精确地测量目标的距离，而且能够测量远距离目标，非常适合用于军事方面，所以脉冲型雷达率先被研制出来并在20世纪60年代就已被广泛应用，而脉冲型雷达在民用领域最早用于交通管制中。二十世纪五十年代后，雷达技术的研究不断地发展和深入，越来越多的国家开始从事FMCw雷达测距的研究，大部分的关键技术都在那以后取得重大突破，FMCW体制的雷达整机也陆续被大量研制出来。2 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文FMCW雷达有如下的优点：(1)发射天线的发射功率远远小于脉冲型雷达，但灵敏度却高于后者；(2)更小的雷达盲区，当进行近距离的目标探测时特别适合；(3)系统集成化简单，工作电压低；(4)采用时域一频域转换技术，对振荡器频率稳定度要求低；(5)测量精度要大大高于脉冲型的雷达。虽然调频连续波雷达具有以上优点，但它实现高线性度非常之不易，且成本高【lo】。七十年代以前，该体制的雷达主要应用于测距和测速领域。80年代以后，随着计算机和DSP技术的发展，以及关于该体制雷达的一系列理论的研究突破，FMCW雷达的测量精度提高，应用领域也越来越广【11】。FMCW雷达整机虽然应用广泛且实用性强，使用起来很方便。但是，由于整机专业性强，且固定下来之后不易做功能上的修改和改进，甚至在某些情况下无法完全满足需要。为此，某些公司开发并生产出独立的FMCW(或者Cw)雷达传感器，后端的设备和功能则由客户根据自身需要自行设计和制造。具有代表性的是由德国INNOSENT公司生产的24GHz雷达传感器，该公司是世界上最大的商业用24GHZ雷达传感器制造商，世界第二大的自动工控用雷达制造商。该传感器可运用于交通监测、物体探测、运动测速和工业应用等各个领域。在工业应用中，主要用于液位测量、流速测量、泥浆密度测量、传送带监控、机器人等。1．3雷达在水文领域的应用研究现状随着技术的发展，脉冲型雷达和FMCw雷达也被逐渐应用于水文测量中。脉冲型雷达主要用于河流水位的测量，并生产出了多款雷达水位计。现在国内外普遍使用的雷达水位计主要是德国SEBA公司生产的SEBAPULS雷达水位计和OTT公司生产的RLS雷达水位计，国内也有部分水文站使用北京古达仪表有限公司生产的GDRD系列雷达水位计，该系列水位计在液位测量中被大量使用。同时，因为利用雷达多普勒频移来测量水面流速在国内外的水利水文领域得到了广泛的重视与研究，该体制的雷达测速仪、流量计和测流系统也被逐渐应用于国内外水文测速中，目前具有代表性的是奥地利SOM^伍R公司的RQ．24和RG．30非接触式流量计，它们在欧洲广泛使用，在中国也已开始推广；美国德卡托公司为USGS(美国地质调查3 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文局)制造的手持式雷达电波流速仪(SVR)，因其良好准确性、出色的稳定性和简易的操作性而在国内外河流测速中广泛使用。该体制的雷达鲜见用于水位测量中，但是在物料位置测量中应用比较广泛，开发并生产了一系列的雷达料位仪。由于原理相同，它在水文应用研究中很值得借鉴。1．4论文主要研究内容本文主要做FMCW雷达水位测量系统的设计，主要工作如下：1．本设计选用的FMCW雷达是IIⅡ10SenT公司生产的ⅣS．148雷达，根据雷达资料详细研究其原理以及控制接口，便于后期的电路设计。2．进行FMCw雷达测速和测距原理的研究，掌握提高FMCW雷达测速和测距精度方法。研究TMS320F2812这一DSP微处理器的内部结构、工作机理、开发流程。掌握DSP集成开发软件CCS(CodeComposerStudio)的使用。2．基于TMS320F2812的水文流量和水位测量实验平台的各模块的电路设计及TMS320F2812相关寄存器的配置及运行程序的编程(编程语言为C语言)，具体：系统电源电路的设计，调频连续波发生电路设计，滤波电路设计，A／D转换电路、A，D保护电路和DSP数字信号处理电路设计，液晶屏显示模块的设计和JATG调试仿真接口的电路设计等。以及以上各模块电路的驱动程序的编写。4．FMCW雷达信号处理算法研究。运用A仍校正算法技术和FFT(快速傅里叶变换)算法对差频信号进行采集和处理，进行实验，得到实验结果并对结果进行分析。1．S论文结构本文主要结构安排如下：第一章：为绪论部分阐述本课题研究目的和意义，FMCw雷达的发展和应用以及该体制雷达的优缺点，并且简单介绍了雷达在水文测量中的国内外研究现状；第二章：FMCW雷达测距原理的介绍，对差频信号在时域和频域两个方面进行分析；第三章：水位测量系统的总体设计，详细介绍IVS．148的结构、性能和工作原理及过程，概述水位测量系统的波形发生器、信号处理模块和现场实时显示模块。4 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文第四章：波形发生器的硬件和软件设计，介绍锯齿波发生原理和软件编程实现锯齿波产生和输出。第五章：差频信号处理模块的设计，包括外部滤波放大电路和DSP内部的AD采样和FFT算法处理的设计。第六章：现场实时显示模块的硬件和软件设计。第七章：选择合适的环境测试设计的测量系统，得到测量结果并进行误差分析。第八章：总结和展望，总结论文所做的工作，并提出不足之处。5 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文6 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文第二章FMCW雷达测距的基本原理雷达通过发射频率在300MHZ～300GHZ范围内的电磁波(通常称为微波)，根据发射波和被测目标反射后的回波的时延来测量天线到目标的距离【12】。电磁波在空气中的传播速度和光线在空气中的传播速度是一样的，约为3×108m／s。测量天线到被测河面的距离如下图所示，雷达发射微波到河面，然后经过反射回雷达，时间为t，由此天线距被测河面的距离R为，R=；印r(2一1)‘cD_电磁波在空气中的传播速度2．1FMCW雷达工作原理图2．1雷达测距原理Fig．2．1PrinciplesofradarFMCW雷达工作时发射天线产生连续的高频等幅波，信号的频率相对于时间按给定的调制波形变化。FMCW雷达有两种不同的调频方式：线性调频和非线性调频，非线性调频容易实现，但因为信号的非线性导致的频率的不唯一型而不能区分出距离不同的目标，无法应用于多目标场合。线性调频中，探测各个目标得到的差频信号的频率是相互独立的，可以轻易7 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文的区分出不同距离的目标。线性调频主要使用三角波调频和锯齿波调频。本测量系统使用IIllloSenT公司生产的ⅣS．148线性连续波雷达，该雷达可以产生频率以三角波或锯齿波规律变化的电磁波，可以通过程序控制雷达信号的频率变化波形。FMCW雷达的原理框图如图2．2所示。雷达天线图2．2FMCW雷达原理框图Fig．2．2P—ncjpleSofFMCWradarFMCW雷达工作过程：首先由电压调制电路产生三角或者锯齿调制电压并输入至VCO(压控振荡器)产生频率变化的电磁波，其输出频率在时间上按调制电压规律变化，天线发射出的电磁波经被测物体反射后产生回波，天线将该回波接收，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，再经过雷达传感器的前置放大和滤波电路处理并输出。从电磁波开始发射到目标，被目标反射，然后回到天线的这段时间内，雷达的发射频率已经发生了变化，因此在混频器的输出端便输出了差频电压。目标的距离、速度信息就包含在差频电压的频率里面【13】，而差频信号经过再一步滤波、放大、测频等后端处理后就可以通过距离计算公式得到被测目标的距离以及速度。2．2锯齿波调频测距原理本设计中测量水位使用锯齿波调频连续波，发射波信号、回波信号和差频信号的时间一频率关系如图2．3所示。假设调制波为理想的锯齿波㈣，其中实线F岫锄i。表示发射信号(的频率变化)，虚线F他。。ivc则代表回波信号(的频率变化)，锯齿波基频为岛，扫频带宽为B，信号调制周8 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文期为丁，回波信号与发射信号的时延为r，图中I勘表示差频信号的频率。为了表述方便，下文以f=r替代F胁。mit，以f．R替代F陀∞ivc。图2．3发射信号、回波信号和差频信号时间一频率Fig．2．2Time-舵quencydia鲫nofemissioIl，echoanddi航rentialsi印als假设由雷达天线发射的锯齿波调频信号频率为：不‰一j+B亍，D95丁雷达发射波信号的瞬时相位为：妒，co=％+知J：知=％+2石∽．匀，+松；，。垡丁妒。一发射波信号的初始相位由式(2—2)和(2—3)得发射波瞬时电压妒7'(t)为：Vr∥=吩c。s[伊。+2万∞．多)，+柏訇，。9sr嵋一发射波信号的振幅发射波信号经过时间T得到的回波信号的频率为：矗‰一了+B二≠，D9s丁B(f-订时间延迟T为：2R印尺一河面到雷达天线的距离，co一电磁波在空气中的传播速度。回波信号的瞬时电压17R(t)为：(2—2)(2—3)(2—4)(2—5)(2—6) 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文妇∥却。扣知㈤c卜力+桕销，碰nr沿7，喇僻篙翁础期’兰⋯删蝴。s卜函一争2柏和爿，Ⅸ丁∽9，因为T《丁，所以可以忽略丌B孚这一项，所以差频信号的瞬时电压场(c)为：场(D=％c。s[2柏；，+知∞．匀1fl，。99c2一·o，vDco=c。s【2松；什知函．匀1fl，。95丁c2一，-，岵(D=c。s【2桕；升知∽．匀刁，．∞RegsAddr->PRD．all=temp”，CPU定时器器的周期寄存器的值为F×T。又根据语句“Time卜>RegsAddr->TPR．all=O”和“Timer->RegsAddr．>TPIm．all=0”，可知定时器的分频器的值为O，所以定时器的计时周期计算公式为：弘伊×n砂×堡掣：丁(4-8)因为波形发生器需要的CPU定时器的计时周期为25us且工程中的系统的时钟频率为150MHz，所以只需要在主程序中调用配置子程序Co血gCpuTimer(&CpuTimer0，150，25)即可。接下来就需要编写输出波形的程序了，IVS．148雷达输出传感器需要提供连续波形才能工作，那怎样才能实现波形的连续不断地输出呢?本设计采用如下办法实现：首先，按照上文的波形输出原理和DAC7724芯片的特点编写子程序绘制一个完整周期的波形，然后再编写一个CPU定时器0中断子程序每隔一个计时周期即25us按顺序读取波形的一个点并输出，当读完并输出整周期波形后又重新从头读取，如此重复执行，就实现了波形的连续输出口81。整周期波形绘制的主要子程序如下：36 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文37 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文DAC7724芯片有四个输出通道，可以输出四种不同的波形，在此只列出本设计所需的锯齿波的绘制程序，其余省略，而且其它的通道可以在以后扩展功能时使用。该子程序有四个参数：分别为波形输出的通道、波形的种类、波形的频率(单位为Hz)和38 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文波形的幅值极限值(单位为mV)。最后一个参数的一般表示的是DAC7724的最高参考电压值即10V，所以该参数固定为10000。由该子程序可知每种波形的通道和种类都是可以自由设置的，本文设计的波形发生器将锯齿波定义为种类1，在1(B)通道输出，频率为500Hz。所以，要绘制整周期波形则只需调用子程序voiddajetIlp(1，1，500，10000)即可。接下来只需要在每个CPU定时器O的中断进入中断子程序循环的读取整周期波形的每个点并输出即可完成波形的连续输出。主要中断子程序如下：DA．-PORTl即为DAC7724的1(B)通道，其余三个通道的波形读取和输出和该通39 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文道类似，只是通道参数不同而已，所以在本文中省略。由子程序可知，当执行完一个整周期波形的读取和输出后，d砬Uime归O，又重新从波形的第一点开始读取。如此，只要在主程序中首先完成整周期波形绘制，然后进入空循环，每隔25us进入一次中断函数，连续不断的输出波形即可。锯齿波波形如图4．10所示。图4．10锯齿波波形图Fig．4．10DisplayofSaⅥ，toothwaVe 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文第五章信号处理信号处理模块是整个水位测量系统中的核心部分，直接决定测量的准确性和精确性。由图3．1所示，信号处理模块可以分为外置放大滤波电路和DSP处理两大部分组成，其中前者分为高通滤波器和放大电路，后者则包括AD采样以及FFT运算和公式拟合计算。外置放大滤波电路的作用是对直接从IVS一148雷达传感器出来的差频信号做信号的滤波和放大处理，滤掉夹杂在其中的调制信号及其它噪声和干扰，并且对信号进一步放大，是指能更好的被后续的DSP采样129J。DSP处理部分则是先对被外置放大滤波电路滤波和放大后的信号由DSP内部外设ADC进行采样，再将采样后的序列进行多点FFT变换，得到信号的频谱信息，最后经过给定的距离计算公式得出被测距离，并将结果送至显示器。5．1外置滤波放大电路在IVS．148雷达传感器工作于FMCW模式用于测量距离时，它输出的差频信号除了含有包含距离信息的差频频率外还含有低频调制信号和其它噪声和干扰信号频率。所以，需要使用高通滤波器去掉差频信号中的中低频调制信号和噪声及干扰成分。虽然IVS．148雷达传感器的输出端有内置的IF放大器，但是其输出的差频信号的幅值仍然很小，不利于DSP的直接处理，所以还要对信号进行增益放大使之适于DSP处理后再输入至DSP的AD采样模块以便进行进一步处理。不过需要注意的是，差频信号的总的内置增益和外置增益最好不要超过60dB。5．1．1高通滤波器滤波器分为无源滤波器和有源滤波器。有源滤波器由集成运放、电阻和电容组成，相对于无源滤波器，其具有不用电感、体积小、重量轻等优点，而且抑制各次谐波的能力也强于无源滤波器，具有较高的性价比【30】。所以，选择有源高通滤波器对原始差频信号进行滤波。本文采用无限增益多路反馈设计二阶有源高通滤波器，电路如图5．1所示。该电路的特点是使用的元件比较少，增益几乎随意可调而且精度高【311，图中设计的滤波器的增益为1，即0dB。因为该二阶有源高通滤波器只用到一个运算放大器，所以使用41 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文LM741EN运算放大芯片，该芯片具有较低输入偏置电压和偏移电流，输入级具有较高的输入阻抗，内部有频率补偿电路，较高的压摆率等特点。V矾卜一Cl0．0l一驯聪撕j＼—_IlI|一l-EC2气j／’n’／-F．，山‘PⅥ_]76．12V图5．1二阶有源高通滤波器原理图Fig．5．1Second·orderhigh·passfinercircuit由上文可知，调制信号的频率为500Hz，高通滤波器的截止频率一般设计为调制信号的10倍，即5Ⅺ{z。由图5．1可以算得该高通滤波器的截止频率五为：】‘2三二了石亏丽25000Hz‘5—1’所以，该滤波器正好符合要求。该滤波器的幅频特性曲线仿真如图5．2所示。5．1．2信号放大电路图5．2滤波器仿真图Fi95．2simulationoffilter因为IVS．148雷达传感器输出的差频信号幅值较小(不超过0．5V)，不适合DSP的采样分析，所以要将经滤波后的差频信号放大后再进行采样，图5．3为本文设计的信号42 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文放大电路图。图5．3放大器电路图F’lg．5．3Amplltlerclrcultdl楚阳m由上图所示，该放大电路为同相比例运算电路，其输出电压的表达式为：％砑=(n匐‰(5_2)只要改变可变电阻Rf的阻值就可以调节放大倍数，从而得到最适合采样的信号。图中，R2是为输入对称而设置的平衡电阻【32】。差频信号滤波前后的对比如图5．4所示，可以明显的看到滤波前的波形含有调制频率成分，经滤波之后，基本将这部分都去掉了。a)滤波前的差频信号b)滤波后的差频信号5．1．3反相加法电路图5．4信号滤波前后的对比Fig．5．4comparison0fsignalbeforefihe渤g觚da舭r因为TMS320F2812只能采样幅值范围为O～3V的电压信号，为了安全起见，我们43 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文为经处理后的差频信号加1．5V的直流偏置，使整个的电压稳定在可处理电压范围内。直流偏置通过外接反相加法电路实现【331，电路如图5．5所示。图5．5反相加法电路Fig．5．5oppositionsununingcircuit图中，砌为差频信号输入端，坳为直流电压输入端，甜D为电压输出端。输出端和输入端的电压关系式为：酽-母(筹+薏)泞3，通过上式可以看出，只要在锄输入端输入直流电压，输出电压的幅值就会整体同步变化，就可以实现信号的直流偏置。锄输入电压取自TMS320F2812的电源电压，大小为为1．9V，通过图5．5式(5．3)可以得到，实际输入的偏置电压约为1．5V。图5．5中的电阻R为平衡电阻，其值为R=RJ偬2脑，o采样反相加法器的原因是与同相加法器相比，反相加法器的电路和数学表达式都更简单。需要注意的是，因为电压被反相，所以在接入AD采样电路输入端时应反接。5．2差频信号的AD采样经外置滤波放大电路处理之后的差频信号仍然是一个模拟信号，而DSP只能处理数字信号，所以首先需要对差频信号进行模／数转换，即进行AD采样然后再交由DSP的CPU进行数据处理。DSP芯片选择TI公司的TMS320F2812，其内部自带一个12位分辨率的模／数转换器ADC模块。将滤波放大后的差频信号进行直流偏置使之不含负电压，就可以直接使用该模块进行信号采样‘341，所以无需外接AD转换模块。44 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文5．2．1TMS320F2812的内部ADC模块在TMS320F2812的内部自带一个ADC模块，它具有12位分辨率，其结构如图5．6所示。图5．6ADC模块的结构图Fig．5．6BlockDiagramoftheADCModule由上图所示，TMS320F2812的内部ADC模块共有16个采样通道，可以被独立的配置成两组：ADCINA0卅国CINA7和ADC烈BO～ADC玳B7，他们分别使用采样保持器S／H．A和S／H．B。ADC模块的内部只有一个转换器，所以在一个时间点只能至多对l路输入信号进行转换。只有当1路信号转换完，才能进行下一路信号的转换【351。从图5．6还可以看到，TMS320F2812的内部ADC模块拥有2个8状态的自动排序器SEQl和SEQ2，分别对应模块的A组的8个采样通道和B组的8个采样通道，它们可以分别对被AnalogMⅨ选通的采样通道进行自由排序。在ADC模块以级联方式操作时，SEQl和SEQ2也会自动复合为一个16状态的自动排序器SEQ。16个结果寄存器ADCI冱SULT0～ADCI也SULTl5会自动保存与之对应的指定的信号序列转换结束之后的通道值。(1)ADC模块的启动方式TMS320F2812的内部ADC模块具体的启动方式如表5．1所示。45 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文表5．1sEQl、SEQ2和级联SEQ的启动方式T≥Ib．5．1StartingMethodsofSEQ1，SEQ2andcascadedSEQ自动排序器启动方式SEQl软件立即启动(S，邺，E、，A的多种事件，外部引脚()(INT2。ADCSOC)SEQ2软件立即启动(S厂W)，EVB的多种事件SEQ软件立即启动(S，、聊，E、，A和EⅦ的多种事件，外部引脚(xINT2』DCSOC)本文设计的AD采样部分选择ADC模块在级联模式下的顺序采样工作方式，采用EVA的周期匹配事件来启动ADC模块，即当T1CNT的值和T1周期寄存器TlPR的值相等时，发生定时器T1的周期中断事件，继而发出启动ADC模块信号从而使ADC模块对信号开始进行转换【361。其它的启动方式不在本文中介绍。(2)ADC的时钟频率和采样频率假设提供给DSP芯片的外部晶振的频率为OSCCLKHz，外部晶振通过PLL模块产生CPU时钟频率SYSLKOUT，如果PLL的值为删，则有：，7竹{s舭翮盼删从夏而(5圳b舭肋饥降a舭救加=D)然后，CPU时钟信号经过HISPCP之后，产生高速外设时钟HSPCLK。假设HISPCP寄存器的值为行，则有：{脚观肛1丽(5-5)【脚c己^，-s珞『Cz恩9己，及，z=∞ADC模块的时钟频率为ADCLK为：rHSPCI。K牌胙丽嘲K睁6，【彳D皿肛西孺死面虿丽两可瓜历瓦厕式中，功能位ADCLKPS能够对HSPCLK进行分频，此外CPS也能将HSPCLK进行2分频处理。它们分别为ADC模块的3号控制寄存器的0～3位和1号控制寄存器的第7位。TMS320F2812的最高时钟频率为25MHz。在本设计中，提供给DSP芯片的外部晶振的时钟频率为30MHz，取m值为5，即DSP的CPU时钟频率为150MHz。取n=2，将高速外设时钟HSPCLK设置为75MHz，AD 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文采样模块的ADC的时钟频率设置为6．25MHz，即将ADCLKPS的值设为6。ADC的采样频率则取决于启动ADC的频率。由上文可知，ADC模块采用EVA周期匹配事件来启动ADC转换，所以只要通过设定Tl定时器的定时周期就可以确定ADC的采样频率。(3)ADC的结果寄存由上文可知，信号转换的结果将被保存至ADC模块的16个16位的结果寄存器ADI也SULTO~ADRESULTl5中。又由图5．5可以得出，ADC模块的精度为12位，即信号转换之后的通道值得数字量为12位二进制数，按照该模块预定的规则，只使用结果寄存器的高12位来存放结果，而寄存器的低4位则全为0。因为TMS320F2812的内部ADC模块的最高输入电压为3V，所以设定模拟输入电压为3V时，对应的ADC的结果寄存器的高12位全为1，而低4为全为0，其数字量为0)【FFFO，转换为十进制数为65520。当模拟输入电压为O时，ADC的结果寄存器的值为0[371。由ADC转换的线性关系，可以得到：彳．D尺Ps“厅=m缸坳材鲥上)CZl9J侣×6552D(5—7)式中，ADResult是结果寄存器中的数字量，voltInput是模拟输入电压值，ADCLO是参考电平，本设计中，将其直接与模拟地相连接，因此它的值为O。如果将结果寄存器的值右移4位，使结果在寄存器中以右对齐的方式存放，则上式可以改写为彳DR鲫”厅=m脚印”鲥D观0归×4D95(5—8)这是因为，当结果寄存器中的值右移4位后，3V电压对应结果寄存器中的数字量为0x0FFF，即4095。5．2．2AD采样的编程实现在采样之前，首先要确定AD采样的频率。水位测量系统设计的量程为20m，对应的差频信号的频率为13．33Ⅺ{z，根据采样定理，采样频率必须大于等于被采样信号最大频率的2倍，所以选择采样频率为30Imz。由上文可知，系统中AD的采样频率取决于启动ADC模块的时间间隔，而这一时间间隔是由通用定时器T1的计时周期决定的，在确定计时周期之前，首先要设置定时器的时钟频率。通用定时器T1的时钟频率TCLK与高速外设时钟频率HSPCLK存在47 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文以下关系：TcLK=HsPCLK／2p(5—9、)式中，p为TICON的输入时钟的预定标因子。本系统将p设置为O，又由上文可知高速外设时钟频率HSPCLK为75MHz，所以根据上式可以得到定时器T1的时钟频率为75MHz。所以，可以得到采样频率石为：‘。毗科丌豫(5—10)式中，TlPR为通用定时器T1的周期寄存器。因为在本系统中，兵为30m，TCLK为75MHz，所以TlPR的值为Ox09C4。确定采样频率的EvA的初始化子程序如下：AD转换的程序流程如图5．6所示，因为后面要对AD采样的结果做1024点的快速傅里叶变换，所以需要采样1024个电压值。48 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文图5．7AD采样流程图Fig．5．7ProcessofADs锄pleADC模块的初始化函数如下：49 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文从以上的ADC初始化子程序可知，本系统选择ADCINAl作为AD采样的唯一通道，同时也是差频信号的唯一输入通道，与之对应的AD结果寄存器为ADCI也SULTl。AD采样中断函数的功能是将AD采样的结果保存到数组中以便后面进行快速傅里叶变换，设置一个数组ipcb[FFTResultCount】用来保存AD转换的结果，n的最大值为1023【381。AD采样中断程序如下：50 万方数据因为TMS320F2812是32位定点DSP，而快速傅里叶变换需要进行浮点运算，因此将AD结果寄存器的值左移15位，使之成为适合FFT运算的Q格式的浮点数例。利用ADC采样模块采样频率为2．4KHz，电压幅值为0．5~2．5V的正弦波，然后在CCS的GrapllicalDisplay中查看采样后的波形，如图5．6所示。可以看出，TMS320F2812的内部ADC模块可以实现对模拟电压信号的正确采集1嚣e●冒．'j耐'J神z蝴要黪、?、《¨¨‘7：，jjjj魏：。譬。篱一：i擎≯譬誊。；“簪篱?。：“，蠛誊甏参?搬妻翳≯j瑚。鬻囊赫’l撇螂，瓣⋯‘2”一，。_：。～j4j浦-⋯鬈一、?，j二‘≥÷z，．{一薅溪．'1和9：j鬻：攀簦：黎灞g囊篓--薹||i麟。?’‘i鬻攀、j。10蠢、警曩、。二It：；{I、一皇曩-iI瓤≮j?≯誊麓≥蛰爱：。II季ii⋯j：『，蛩《7、。矗i囊蔓j_|：l1『甏’j5．3采样结果的FFT变换图5．8正弦波AD采样图Fig．5．8ADs锄pleofsinewaVe由上文可知，必须得到差频信号的主频才能算出天线距水面的距离，而后的波形是一个时域信号，所以需要对其进行傅里叶变换，把它转换到频域5lAD采样中去，然 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文后得出信号的主频。因为采样后的信号为数字信号，所以需要对其进行DFT变换【401，即离散傅里叶变换。由离散傅里叶变换的原理和过程可以知道，计算机进行N点DFT需要做N2次复数乘法和N2．N次复数加法运算，当点数N比较大时，计算机的计算量将会变得很大，这样将会使计算速度变慢，很可能无法满足实时要求。所以，一般在实际应用时，都采用改进后的算法一快速傅里叶变换(FFT)【411。5．3．1FFT算法的优点快速傅里叶变换是利用离散傅里叶变换的周期性和对称性等性质而改进的快速算法，分为时间抽取法和频率抽取法。一般而言，大多采用基一2的FFT算法，即做点数为2的整数次幂的FFT【42】。对于FFT算法的原理很多书上都有很详细的介绍，所以在本文中不做详细介绍。采用基一2的FFT算法，可以将N点DFT分成N／2个2点DFT，即N点DFT被分成了L级，L=1092N，也称L级蝶形运算。由FFT算法的原理可知，每级蝶形运算包含一次复数乘法和二次复数加法，所以做N点FFT总共需要做0．5Nlo＆N次复数乘法和Nl092N次复数加法运算。因为在计算机做乘法运算所用时间比做加法运算所需时间要多很多，所以重点考虑乘法运算方面速度的提升H31。本系统需要做1024点变换，如果采用普通的DFT，需要进行1048576次复数乘法运算，而采用基一2的FFT，一共只需要进行5120次复数乘法运算，速度提升了约205倍，计算时间被大大的节约了。不仅如此，采用FFT算法还能节约很多的存储空间。需要注意的是，在进行FFT后，数据不是正序排列而是倒序排列，所以需要对其进行倒拉序操作畔】。5．3．2FFT在DSP中的实现TI公司为TMS320F2812设计了专门的FFT算法库，该算法库以时间抽取的基一2FFT算法为基础，只需要调用算法库中的FFT变换函数就可以快速的完成FFT【451。TI公司的FFT函数最大可以支持1024点的FFT计算，所以只需直接调用算法库中的函数即可，因为DSP的片内存储空间有限，所以本系统不做加窗运算。FFT算法的主要程序如下：52 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文从以上的程序可以看到，最后的幅值只计算了前N／2点，那是因为经过FFT之后的频谱关于中间频率对称，而后半部分是无效的，所以只需要显示输出前半部分频谱即可【461。对上文中提到的采样后的正弦信号进行如上FFT计算后得到的频谱如图5．7所示。53 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文图5．9正弦波的频谱图F谤5．9Spec仃。萨瑚ofSinewave在上述条件下，频率测量的误差为(30000／1024)／2=14．65Hz。将数组mag[】添加到W乱chWindow中进行观察，发现mag【O】为最大值，那是因为正弦信号中加了1．5V直流偏置的缘故；数组中的次大值为mag[41】，因为从mag[1】开始观察，所以在图5．7中横坐标为40。数组的横坐标意与对应的频率^的关系式如下：五2镊／Ⅳ(5一l1)式中，兵为AD采样频率，N为快速傅里叶变换点数，尼为数组mag[】中某个值的横坐标。将兵=30KHz，N=1024，榭1代入式(5．11)得到采样正弦信号的频率为1201．17Hz，与实际频率1200Hz很接近，在测量误差范围内，所以1024点的FFT的运算结果正确无误。在CCS3．3中可以观察到1024点的FFT的运行时间在1ms左右，完全符合实时测量的要求。5．3．3测量距离的计算由上文可知，只要求得差频信号的频率的最大值对应的频率就可以计算出雷达天线到河面的距离，所以需要对差频信号频谱进行搜索。当差频信号经过FFT得到频谱后，因为加了直流偏置的关系，频谱的峰值在mag[0】处，所以在搜索频谱的最大值时要将这个点去掉M。对于本系统而言，需要搜索mag[1】～mag[511】中的最大值，然后提取出对应的横坐标，根据公式(5．10)求出该点的频率值，再将该频率值代入公式(2．19)就可以算出天线到水面的距离。54 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文在mag[1】~mag[511]中搜索最大值并将其对应的横坐标输出的具体思想很简单，就是先完成将原数列从大到小进行重排列，然后将新数列的第一个数的在原数列中的横坐标提取出来并输出即可【48】，具体的程序如下：所以，k就是所需要的频率对应的横坐标。根据上文可知，系统的锯齿波重复周期为T=1／500=0．002s，发射频率带宽B=(5．0．5)}50=225MHz，因为频率测量的误差为14．65Hz，所以取．五)-14．65Hz，光速co=3．O枣108州s，将以上数据代入公式(2．19)得：一等=坐罢等等竺一o．ozm所以，由于采样和FFT造成的误差为2cm，因为一般天线到河面的距离都在5米以上，所以误差是在工程要求范围内的。55 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文56 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文第六章结果显示模块当DSP计算出雷达传感器天线到水面的距离R后，必须将这一结果显示出来才能让测量人员直观的了解测量到的数据，所以测量系统的显示模块必不可少，是其中极其重要的一部分。本章将详细介绍这部分的软件和硬件设计实现。6．1显示器件的选型目前市场上用的比较多的显示器件主要包括LED数码管、LCD液晶显示器、LED显示屏等，其中LCD显示屏又包含单色LCD液晶显示屏、彩色LCD液晶显示屏和触摸液晶显示屏。因为测量系统中对显示器件的要求不高，只要能够显示测量结果就可以了，再考虑到成本和整个系统的规格，所以选择LED数码管或者在单色LCD液晶显示屏中选择一款即可。LED数码管的结构和控制比较简单，而且相对于LCD在亮度、刷新和可视角度方面都比较有优势。但是，LED数码管的显示过于单一，只能显示数字和部分字母，不能显示汉子和标点等，且一旦硬件电路固定之后，能够显示的总位数也被固定下来，若是要改变测量精度，除了修改程序之外，还需要对硬件进行改进。相比之下，LCD显示器的显示元素比较丰富，能够显示汉字、数字和各种字符，而且若要修改显示内容，只需修改程序即可。目前小型单色LCD液晶显示器用的比较多的是1602液晶显示器和12864液晶显示器，两者都属于点阵型液晶显示器。1602液晶也叫1602字符型液晶，由32个5木7或者5幸11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，一共能够显示16}02(16列2行)即32个字符。12864液晶是128幸64点阵液晶模块的点阵数简称，每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示，12864液晶有带汉字字库和不带汉字字库两种类型。相对于1602液晶，12864液晶能够显示更多的内容，而且在显示图形方面大大优于前者。两者的价格都比较便宜，所以大量应用于各类仪器，小型设备的显示领域。综上所述，水位测量系统选用带中文字库的FYDl2864．0402B液晶显示模块。57 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文6．2FYDl2864．0402B液晶介绍FYDl2864．0402B的显示分辨率为128木64，内置8192个16木16点汉字和128个16幸8点ASCII全高字符集。FYDl2864．0402B可以显示8木4行16宰16点阵的汉字，也可以完成图形显示。FYDl2864．0402B液晶实物如图6．1所示。图6．1FYDl2864一0402B实物图Fig．ThephysicalfigureofFYDl2864·0402B6．2．1FYDl2864—0402B液晶特性FYDl2864．0402B液晶显示器具有如下特性H9】：低电源电压(VDD：+3．O一+5．5V)；显示分辨率：128宰64点；内置汉字字库，提供8192个16}16点阵汉字(繁简体可选)：驱动方式：1／32DUTY，1／5BIAS；视角方向：6点；通讯方式：串行、并口可选；内置DC—DC转换电路，无需外加负压；58 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文无需片选信号，简化软件设计；6．2．2FYDl2864—0402B液晶接口说明FYDl2864．0402B的原理框图和引脚设置图分别如图6．2和图6．3所示。醛(cs)，R，-(s璩)图6．2FYDl2864一0402B原理框图Fig．6．2Theprinciplediag姗ofFYDl2864—0402B图6．3FYDl2864一0402B管脚分布图Fig．6．3ThefigureofpiIlmapofFYDl2864-0402B图6．3中，引脚号从下到上依次增大(1～20)。因为FYDl2864．0402B支持串口和并行两种通讯，所以有两种不同接法，它们的管脚定义有所区别。表6．1和表6．2分别为并59 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文行接口和串口接口的管脚定义。表6．1并行接口管脚定义’I’ab．6．1T11edefinitionofparlallelinterf．acepin管脚号管脚名称电平管脚功能描述60 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文表6．2串口接口管脚定义]f’ab．6．2Thedefinitionofserialinterfacepin附：表6．3和表6．4为控制器接口说明和E信号状态说明。表6．3控制器接口信号说明1’ab．6．3Theinstmctionofcorl仃ollerintemIcesi印als表6．4E信号状态表1曲．6．4Thes觚stableofEsigIlal 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文6．3显示模块硬件电路设计由上文的介绍可知，FYDl2864．0402B液晶支持串口和并行两种通讯方式，两种方式在引脚定义、硬件接法和软件设计上都有比较大的区别。两者各自有自身的特点和优点，串口通讯使用的I／O口少，硬件设计简单，但是通讯速度慢；并行通讯则速度快，但是占用的I／O口多，电路设计比较复杂。本文设计的水位测量系统对显示模块并没有极高的要求，再加上DSP本身的CPU处理速度很快，所以即使采用串口通讯，其刷新率也能满足要求；另外，因为串口通讯占用的I／O资源远远少于并行通讯，对于I／O输出电平为3．3V的DSP而言采用串口通讯设计将大大简化硬件电路。综上，本系统的显示模块采用串口通讯，参考表6．2的引脚说明进行电路设计，显示模块的硬件电路设计如图6．4所示。]7YDl2864．04I．．上1VSS1MS320F2812(Panial)T。⋯IIF2VCC(、rDD)74CBTD33843V028324GPloF8．MaU()【^lAllBlI塔(CS)”45GPIOF9-MCLKRAl^2lB2I州(Sm)2676GHOFl0．^棚FS)【^l^3lB3E(SCU()29B97GPIOFll．^皿：SRAlA4l酗●_一D瑚lllO8●-一1A5l劭__一。_一DBl9●_一DB2一cl观●_一DB3．．1一ll●_一D阱=1415122Al2Bl__一●_一DB51716丑LⅨ．132^2282__一●_一DB61819142A3283__一R2100●_一DB7卫2^42酎20广——115__一PSB2223162^j2砒__一●_一NC2417眦，R320K吣盯1218土20EGND’|(矸7I1920I：图6．4显示模块硬件电路图Fig．6．4Thecircuitdiagramofdisplaymoduleh￡Lrdw2lre注：图中的DSP芯片只画显示模块用到的引脚，其余引脚从略。由上图可知，系统的整个显示模块主要由电源、DSP芯片的一部分、电平转换芯片74CBTD3384和FYDl2864．0402B液晶组成。由于采用串口通讯，只用到DSP的4个I／o口。其中，DSP的GPIOF8一MCL飙～口控制FYDl2864．0402B的CS(模组片选端)引脚，可以通过向GPIOF8．MCL圈队写1来实现液晶模块的选通：GPIOF9．MCLⅪ认与SD联通，通过该端口向液晶发送数据；62 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文GPIOFl0．MFSXA控制SCLK，提供时钟信号；GPIOFll．MFSRA控制液晶的／RESET端口，可以通过向GPIOFll．MFSRA写0实现液晶的复位。DSP的这四个引脚都使用它们的通用输入／输出功能。FYDl2864．0402B与DSP之间的通讯遵循12C总线协议，通过串行数据(SID)线和串行时钟(SCLK)线传递信息。DSP的I／o端的电平为3．3V，而FYDl2864．0402B的引脚的电平为5V所以不能将两者的引脚直接连接，需要在中间加上电平转换芯片将两者联系起来。本模块中选用双向电平转换器74CBTD3384将DSP的狄)端的3．3V转化为5V然后再接入到FYDl2864一0402B中。74CBTD338是一个10位元器件，最多能够转换2组共10路电平，因为本设计中只用到4路，只要其中的1组就能满足要求，所以只使能第一组，其余引脚悬空。为了减少供电电压的波动性，保护电路中的元器件，在+5V的电源两端并联一个0．1心的电容；在背光源电压引脚处串联一个100Q的电阻以限制电流，保护背光装置；此外，给FYDl2864．0402B的／I汪SET口外接3K的上拉电阻，让其在上电复位后没有操作的情况下处于高电平。显示模块还可以通过改变l妈的阻值来调节显示屏的背光亮度。6．4显示模块的软件设计硬件电路搭建连接起来后，只要通过适当的软件编程就可以将DSP计算得到的结果传输到FYDl2864．0402B上并显示。串口通讯和并行通讯在编程规则上有比较大的区别，因为显示模块采用串口接法，所以本节只介绍串口通讯下的软件设计。6．4．1FYD12864．0402B指令说明FYDl2864．0402B液晶的控制芯片提供两套控制指令：基本指令和扩充指令。两套指令的说明分别如表6．5和表6．6所示。63 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文将DDRAM填满“20H”，并清除显示O01且设定DDRAM的地址计数器到“ooH”设定DDRAll的地址计数器地址归位0O01X到“00H”，并且将游标移到原点位置显示状态D=l：整体显示oN⋯，01DCBC=l：游标0N开／关一i：i；蒜髹裢置反白允许指定在数据的读取与写进入点设定O0O0O0lI／DS入时，设定游标的移动方向及指定显示的移位游标或显示设定游标的移动与显示⋯～一。．0O0O1S／CR／Lx的移位控制位：这个指令移位控制。。采麦菱赫莴箬“‘DL=O／l：4／8位数据功能设定0O0lDLXREXxRE=1：扩充指令操作RE=0：基本指令操作设毒CGRAMo1Ac5Ac4Ac3Ac2AclACo设定cGRAM地址01AC5Ac4AC3AC2AClAC0设定CGRAM地址地址设定DDRAM堡定DDRAM地址⋯．01OAC5AC4AC3AC2AClACO第一行：80H一87H地址磊二荇；；iH一；磊读取忙标志读取忙标志(BF)可以确⋯．．0lBFAC6AC5Ac4AC3Ac2AclAcO认内部动作是否完成，同和地址莳哥夏囊苗赢晶石一～。写数据到RAM10读出l认M的值l将数据D7一Do写入到内部的RAM(DDI洲／CGItAM／IRAM／GRAM)从内部RAM读取数据D7一D0 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文待命模式。。。。。。。。。·羹全篡鲁萎釜嚣SR=l：允许输入垂直卷卷纂开。。。。。。。。，sR噼。：糕入。删和关开启sK2u：兀讦籀八lKAM利CGf洲地址选择2行中的任一行作反白显示，并可决定反白与反白选择O0O01RlR0否。初始值R1Ro=00第一次设定为反自显示，再次设定变回正常睡眠模式。·SLx；：詈i盖盒霪H民簇妻CL=0／1：4／8位数据扩充茎能设。。。·cLx跹G。篙篓套冀麓箨O1CLXREGO二二：’二7：：：：=：二，‘-⋯’’’’G：I／0：绘图开关设定绘图RAM。先设定垂设定警甲删oo，oo栅舵棚栅裹芝某军釜鐾孟戮c孑O01设定水平地址AC3⋯AC0地址AC6AC5Ac4AC3AC2AClACO将以上16位地址连续写入即可6．4．2编程实现结果显示FYDl2864．0402B液晶与DsP之间的通讯遵循12C总线协议，通过串行数据(SID)线和串行时钟(SCLK)线传递信息，在SCLK的每个上升沿传送一位数据，一个字节的传送需要分两次完成：先传送字节的高4位，然后传送字节的低4位‘501。FYDl2864．0402B液晶的串口通讯数据传送过程如图6．5所示。65 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文CSSCLKSD卜I一同步位数据串—叫第一字节第二字节图6．5串口数据线模式数据传输过程时序图Fig．6．5Sequencediag舢processofdatan’ansf宅rofserialportca_blemodel根据该时序图，设计字节发送驱动程序如下：注：uchar=1lI】siglledchar(无符号字符型)由图6．5可知，串行数据传送公分三个字节完成：第一字节：串口控制格式1ABO66 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文A数据传送的方向控制H．一数据从LCD到MCUL一数据从MCU划件LCDB数据的类型选择H．一用户显示的数据L_控制模块的指令第二字节：8位数据的高四位D7D6D5D4O0第三字节：8位数据的低四位D3D2DlDo0根据上述的传送规则，发送指令和发送数据的程序是有所区别的。因此，有必要分别设计两个不同的子程序来实现串口数据和指令的发送，程序如下：在将结果传输到液晶并进行显示以前，必须对FYDl2864．0402B进行初始化，根据FYDl2864．0402B的指令表以及初始化流程，设计初始化程序如下：黍蒸i熬鬻鋈黍漂攀纛l蘸蒸霾鬟辩蠢麓蠢藁醴蘩鏊饕黍熏藜蘩攀熏|；黍囊鬟囊i瀵鬻I|||i}鬻鍪荔il豢黪攀錾戮溱戮霾l霪纛蒸蒸i纛蒸黍豢鬻笺鬻鬻li鍪l篆蠹ji；iii。攀蒸i67 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文显示模块最终实现的功能是将雷达天线到河面的距离显示在LCD显示器屏幕上，因为测量的距离最大值不超过20m，所以屏幕上小数点前只显示两位即可；另外，小数点后设计保留两位，小数点位置固定，数字部分后面为单位“m”，在数字结果前显示汉字“距离：”作为测量对象的识别。所以，测量结果显示格式固定为“距离：XX．XXm”，如果天线到河面的距离为9m，则显示“距离：09．OOm”。测量结果保存为noat(单精度浮点数)型，因为小数点后保留2位，而测量的距离不超过2位数，所以只要将测量结果乘以100，然后把相乘后的结果的前4位提取出来，接着其中高2位在小数点之前显示，低2位在小数点后显示即可，由于初始化程序将其FYDl2864．0402B设定为顺序从左到右输出字符，所以只要依次输出测量结果的各位然后在第二位和第三位之间输出小数点并在最后输出单位即可。显示测量结果(变量)的子程序如下： 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文LCDl2864一SendDAT(0x2e)；／／显示小数。t气LCDl2864一SendDAT(0x30+g)；／／显示变量的小数点后第l位LCDl2864SendDAT(Ox30+g)：／／显示变量的小数点后第2位LCD】2864SendDATfox6d)：／／显示荦．位“m”)以上的子程序只实现了显示数字和单位的功能，所以还得设计一个显示汉字程序才能完成测量结果完整的显示。因为FYDl2864．0402B白带中文字库，所以实现汉字字库比较简单，只要预先定义字符串，然后在字符串里输入想要显示的汉字内容，将汉字的内码数据输入到FYDl2864．0402B即可显示，需要注意的是一个汉字内码占两个字节。因为汉字显示只是起修饰和标识作用，所以本章不做详细介绍。当DSP每次完成AD采样和FFT及公式拟合计算得出结果之后，只要调用汉字显示子程序和变量显示子程序即可实现结果的显示并实时刷新。LCD液晶显示效果如图6．6所示。图6．6液晶显示效果图Fig．6．5WbrkingSketchofLCDDisplay69 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文70 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文7．1系统测试环境第七章测量系统测试如果用测量系统直接测水面，因为水面到雷达天线的实际距离很难确定下来，所以即使测回距离值，也没有一个准确的值做参考，不利于后面的数据分析。所以，将测试的环境选择在一个比较空旷的车间里，将雷达传感器与地面垂直固定且距离地面1．5m高，然后测量雷达传感器和1．5m木1．5m的木板之间的距离，木板可以前后自由移动。因为测试需要以及环境所限，将木板到雷达传感器之间的距离定在7．5m~8m的范围内，每移动0．1m停下然后测量，待测量数据稳定后读取实验数据，该距离的标准值用高精度激光测距仪测得，作为结果分析的参考数据。7．2系统的测量结果及误差分析系统一共雷达传感器木板之间的6个不同距离，每个距离重复测量3次，这六个距离分别是7．50m、7．60m、7．70m、7．80m、7．90m和8．oom。图7．1为其中一次测量时(标准距离为7．60m)得到的AD采样图，它的FFT变换结果如图7．2所示。图7．1差频信号的AD采样图Fig．7．1ADs锄pleofbeatsignal71 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文图7．2采样结果的FFT变换图Fig．7．2FFTofsamplingValue从图7．2可以看出，采样结果的FFT变换在横坐标为195处取得最大值，因为是从mag[1】~mag【513]进行采样，所以最大值为mag【196]，及最大幅值处的数组横坐标为196，因为采样频率为30瞄{z，FFT变换点数为1024点，根据式(5．11)可以算得：30000届=％／Ⅳ=196×面瓦=s742·19Hz尺=等=坐罢罢笋乩656mN=一=一=，一n．、nm一2B2×225×106⋯⋯一因为显示程序做舍尾处理，所以显示的值为7．65m所有的测量结果的记录如表7．1所示。表7．1系统测量结果Tab．7．1Me鹊urementresultsofSystem由上表的数据可知，随着测量距离的增加，系统的平均误差呈现增大的趋势，相对测量误差在士1％之内，重复性误差基本保持在2％以内，符合水位测量的要求。产生误差72 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文的原因分析如下：(1)由第五章可知，因为AD采样频率和FFT点数条件的限制，系统会产生士2cm的误差；(2)雷达传感器的发射频率随调谐电压的变化受到温度等外界因素的影响，因为本系统所需的调谐范围比较宽，所以雷达传感器的频率调谐曲线会出现一定程度的非线性，从而影响了测量的精度。(3)虽然差频信号经过滤波和放大处理，但是信号中仍然残留有噪声和干扰成分，这也会对测量结果产生一定影响(4)因为LCD液晶显示方式的原因，会造成截断误差，误差值为士0．5cm。73 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文74 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文第八章总结和展望本文主要讨论了FMCW雷达在水位测量中的技术实现，设计出了基于调频连续波体制雷达(本系统采用锯齿波调制)和TMS320F2812的雷达水位测量系统。论文完成的主要工作有：(1)分析了FMCW雷达的测量原理，对基于锯齿波调制的雷达传感器输出的差频信号在时域和频域两个方面进行了分析；(2)设计了以TMS320F2812和DAC7724为基础的任意波形发生器，从硬件和软件两方面介绍了波形发生器的结构和原理，并详细的说明了如何编程实现锯齿波的输出；(3)设计了差频信号处理模块，该模块主要由外置滤波放大电路和DSP内部信号处理两部分组成，外置滤波放大电路可以有效地滤除差频信号中的调制信号以及噪声和干扰成分并将信号放大到适合DSP的ADC模块处理的幅度；内部处理模块则实现了DSP的内部ADC模块对差频信号进行AD采样，之后对采样结果做1024点FFT，再通过距离计算公式得到雷达距河面的距离。(4)添加现场实时显示模块，让技术人员可以更直观的观察测量数据。显示模块的主要部件是LCDl2864，本文对LCDl2864的工作原理以及如何实现实时显示测量数据做了详细介绍。(5)对水位测量系统做了测试，记录测量结果并做了误差分析由于本人的专业知识还很匮乏，加上时间有限和客观条件的制约，论文还有以下不足：(1)本文设计的系统并没有针对频率调谐曲线的温度漂移去设计一个预矫正电路，使系统因为曲线的非线性而导致误差叠加；(2)系统的滤波放大电路去除干扰信号的能力有待进一步提高；(3)本文没有自己设计FFT算法函数，而是采用了TI自带的FFT算法库函数，最大点数只能达到1024点，受其影响和制约，测量结果会有士2cm的误差；(4)没有为显示函数设计四舍五入功能，导致产生截断误差；(5)因为客观条件的缘故，并没有选择某条河作为测试对象，且由于测试环境的空间限制，测距范围较窄。75 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文(5)对测量结果的分析的全面性和深入程度仍然不足，比如没有对频率调谐曲线的非线性度对测量结果的具体影响进行分析。76 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文参考文献[1]张坷，俞国华，刘钢海．超声波测距回波信号处理方法的研究．测控技术，2008，(01)：48—50．[2]吴斌方，刘民，熊海斌．超声波测距传感器的研制．湖北：湖北工学院学报，2004，(06)：26—28．[3]赵娜．激光测距技术[J]．科技信息，2011(04)：119—120．[4]盛新志，娄淑琴．激光原理[M]．北京：清华大学出版社，2010．[5]成先敏，李世中，乔晶晶．微波测距方案的设计与实现[J]．四川：四川兵工学报，2010，(07)：96一106．[6]丁鹭飞，陈建春．雷达原理[M]．北京：电子工业出版社，2009．[7]承德宝．雷达原理[M]．北京：国防工业出版社，2008．[8]Merrin工．Skolnik著．左群生，徐国良，马林等译．雷达系统导论[M]．北京：电子工业出版社，2007．[9]朱庆彬．FMCW液位测量雷达系统控制及回波信号处理电路设计[D]．大连：大连海事大学，2011．[10]张直中．机载和星载合成孔径雷达导论[M]．北京：电子工业出版社，2004．[11]宋玮．FMCw雷达测距精度及其信号处理技术的研究[D]．南京：南京理工大学，2004[12]M．卡尔庞蒂埃．现代雷达基础[M]．北京：电子工业出版社，1987．[13]A．G．Stove．LinearFMCWRadarTeehniques[J]．RadarandSignalProeessing，1992，139(5)：343—350．[14]齐国清，贾欣乐．高精度液位测量雷达系统设计[J]．大连海事大学学报，1999，25(1)：15—19[15]]J．A．MeGregor，E．M．poultter，M．J．Smith．SwitehingsystemforsingleantennaOperationofanS—bandFMCWradar[J]．IEEProc—Radar，SonarNavig，1994，141(4)：24卜248[16]熊诗波，黄长艺．机械工程测试技术基础．北京：机械工业出版社，2006．[17]A．V．OppenheimandR．W．Schafer，DigitalSignalProcessing[M]．Prentice—Hall，Inc，EnglewoodCliffs，NewJersey，1975．77 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万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文致谢时间飞逝，三年的研究生学习生活转眼即将过去。这三年过得充实而有意义，对我今后的人生发展有着深刻的启示和和极大的帮助。本论文的成功完成是许多人共同努力的结果。首先，感谢我的导师武利生副教授，武老师渊博的学识，严谨的治学态度和勤勉敬业的工作精神深深影响着我。在研一开题时，武老师就根据我们个人兴趣及课题组研究内容要求为我选定了课题方向，期间多次找我谈话，为我讲解与课题相关的问题。在课题进行过程中，武老师耐心细致地帮我解决课题中遇到的问题，为我论文的顺利完成起着重要的指导作用。武老师孜孜不倦的教诲和深厚的专业素养也让我终身难忘。其次，在我三年的学习生活中，与我同窗的同学们也给我了许多无私的帮助。感谢他们在我遇到困难时给予的建议和帮助，使我能够克服一个个课题方面的难题。感谢师兄张纪元带领着我熟悉课题实验设备和使用方法。感谢艾涛，刘亚波、幸运胜等同学在课题研究过程中给予我学习上的帮助，感谢室友王磊、秦天雨、岳耀城同学给予我生活方面的关心和帮助，是大家的共同努力使我的论文顺利完成。感谢校方为我提供了一个良好的学习环境，完善的实验室配套设施为我的学习带来了便捷，在浓烈的学习气氛中推动着自己不断进步。还要感谢多年来为我的成长做出无私奉献的父母和家人，是他们的理解和支持，物质方面的供给和精神方面鼓励使我可以全身心投入到学习科研中，他们的帮助让我在一次次困难面前挺过去，才获得了这次提升自己的机会，他们的支持是我前进的动力。感谢审阅此论文的专家教授们，你们在百忙之中抽出时间指导我的论文，为我提出宝贵意见，向你们辛勤的工作致敬。81 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文82 万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文攻读学位期间发表的学术论文[1]梁宇强，武利生，周巍等．串行通讯技术在缆道自动测流系统中的应用[J]．人民黄河，2014．83