fmcw雷達(dá)液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、FMCW雷達(dá)液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：針對(duì)目前液位測(cè)量系統(tǒng)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的液位測(cè)量系統(tǒng)很難滿足在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)易燃、易爆等液體的高精度測(cè)量這一現(xiàn)狀。針對(duì)此現(xiàn)狀提出了以TI公司的TMS320F28335為核心結(jié)合FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）雷達(dá)技術(shù)的液位測(cè)量系統(tǒng)。在FMCW雷達(dá)液位測(cè)量系統(tǒng)中，差頻信號(hào)通過FFT（快速傅里葉變換）變換實(shí)現(xiàn)頻率的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量的關(guān)鍵。文章首先采用DDS產(chǎn)生高精度鋸齒波作為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，然后對(duì)差頻信號(hào)經(jīng)過濾波放大等處理，最后利用DSP進(jìn)行FFT和最小二乘法得出液位信息，并通過RS485總線傳輸?shù)缴衔?/p>

2、機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞：FMCW；DSP；FFT；最小二乘法引言液位高度是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的檢測(cè)與控制參數(shù)之一。隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展和液位測(cè)量系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，雷達(dá)測(cè)量液位在石油化工行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛［1］。它克服了傳統(tǒng)機(jī)械式接觸型液位儀表的諸多缺點(diǎn)，比如清洗維修的困難和使用不便等。雷達(dá)液位測(cè)量?jī)x特別適用于高溫、高壓及黏度較大的易燃、易爆液態(tài)物質(zhì)的液位測(cè)量［2］。針對(duì)上述情況，本文采用TMS320F28335結(jié)合FMCW雷達(dá)測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)了一種FMCW雷達(dá)液位測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)具有精度高、低成本、實(shí)時(shí)性好

3、等特點(diǎn)，可以滿足液位測(cè)量系統(tǒng)的要求。1FMCW雷達(dá)測(cè)距原理FMCW雷達(dá)測(cè)距的原理圖如圖1所示。雷達(dá)工作時(shí)，DDS電路產(chǎn)生線性調(diào)頻鋸齒波信號(hào)，經(jīng)環(huán)形器通過天線向外發(fā)射電磁波，同時(shí)還有一小部分給混頻器作為本振信號(hào)。發(fā)射的電磁波在空間傳播，遇到目標(biāo)后將會(huì)散射，反射回來的電磁波被天線接收。回波信號(hào)和直接耦合過來的本振信號(hào)被加到混頻器內(nèi)，但是在電磁波傳播到目標(biāo)并返回天線的這段時(shí)間內(nèi)，回波信號(hào)的頻率相比系統(tǒng)此時(shí)發(fā)射信號(hào)的頻率已有了變化，因此在混頻器輸出端便會(huì)出現(xiàn)一個(gè)含有發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)頻率差的信號(hào)，稱之為差頻信號(hào)。差頻信號(hào)中包含

4、著目標(biāo)的距離信息,因而差頻信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換和測(cè)頻等處理后就可得到目標(biāo)距離。FMCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)、回波信號(hào)及差頻信號(hào)示意圖如圖2所示，實(shí)線為發(fā)射信號(hào)頻率fT的變化，虛線為冋波信號(hào)頻率fR的變化。底部的信號(hào)為本振信號(hào)和回波信號(hào)混頻后得到的差頻信號(hào)頻率fd的變化。差頻信號(hào)經(jīng)過FI訂變換，變換到頻域，進(jìn)而求出差頻信號(hào)頻率山。1FMCW雷達(dá)液位測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本文中的測(cè)量系統(tǒng)，選用TMS320F28335作為核心處理器。TMS320F28335的主頻可達(dá)150MHz,單指令周期為6.67ns,擁有高性能的32位C

5、28x結(jié)構(gòu)，配合一個(gè)浮點(diǎn)處理單元（FPU）。因此F28335強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可以高效快速的實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算。F28335與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡(jiǎn)化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本［3］。2.1DDS電路FMCW雷達(dá)測(cè)量液位時(shí)需要一個(gè)線性調(diào)頻的鋸齒波信號(hào)。本文的鋸齒波信號(hào)由AD9910產(chǎn)生，AD9910是ADI公司推出的一款直接數(shù)字頻率合成器(DDS)芯片，與其他高速DDS器件相比，它集成14位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC),可以形成數(shù)字可編程、高頻模擬輸出的頻率合成器，能夠產(chǎn)生頻率高達(dá)400MHz的正弦波形。

6、DDS信號(hào)產(chǎn)生框圖如圖3所示。晶振提供一個(gè)100MHz的時(shí)鐘信號(hào)送給頻綜器，使其產(chǎn)生1GHz的頻率，作為AD9910的時(shí)鐘輸入，F(xiàn)PGA完成對(duì)AD9910的控制操作，使英產(chǎn)生線性調(diào)頻鋸齒波信號(hào)，從DDS岀來的信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器、倍頻器、放大濾波后得到帶寬為lGIIz的線性調(diào)頻鋸齒波信號(hào)，然后將此信號(hào)經(jīng)過上變頻后可以得到帶寬為1GHz,屮心頻率為9GHz的線性調(diào)頻鋸齒波信號(hào)。如圖4為AD9910的外圍電路。2.2濾波放大電路混頻器輸出的差頻信號(hào)除了包含目標(biāo)距離的信息外，還會(huì)受到系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和外部噪聲的干擾，當(dāng)被測(cè)目標(biāo)距離

7、較遠(yuǎn)時(shí)，差頻信號(hào)非常微弱，可能淹沒于噪聲屮。為了使液位測(cè)量系統(tǒng)具有較遠(yuǎn)的測(cè)量范圍和較高的測(cè)距精度，需要對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理。濾波放大電路如圖5所示。低噪放大電路由TI公司的0PA211來實(shí)現(xiàn)，其作用是放人微弱的差頻信號(hào)。LF412組成濾波電路包含二階高、低通濾波電路，其中高通濾波電路主要是濾除雷達(dá)收發(fā)器所泄漏的低頻調(diào)制信號(hào)和近程雜波信號(hào)；低通濾波電路主耍是濾除電路內(nèi)部和信號(hào)屮的高頻諧波分量。2.3A/D?D換電路A/D轉(zhuǎn)換采用ADI公司的16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656,其內(nèi)部具有6條采樣通道可分為A、

8、B、C共3組，其中每組通路包含2路通路，AD7656可以同時(shí)采樣3組通路，也可以單獨(dú)采樣，在每組內(nèi)的兩條通路同時(shí)采樣。本系統(tǒng)采用3組通路同時(shí)采樣。AD7656支持DSC的并口、串口的數(shù)據(jù)傳輸，通過SER/PARSEL管腳的高低電平的選擇來控制采樣后數(shù)字信號(hào)的傳輸方式。當(dāng)其為高電平時(shí)，則使用串行傳輸方式，反之則使用并行傳輸方式，本系