MCU+DSP的LFMCW雷达信号处理系统设计*
王斯盾，刘鹏
【摘 要】摘要: 提出了一种基于C8051F120+TMS320F28335的LFMCW雷达信号处理系统设计方案。该方案以C8051F120为信号采集核心，生成调制电压信号，驱动雷达传感器产生差频信号，并对差频信号进行信号调理与采集。以TMS320F28335为信号处理核心，嵌入基于相频匹配的频率估计算法对差频信号进行处理，得到测量距离。在线实验结果表明，系统各功能模块工作正常，相频匹配算法测量精度较高。 【期刊名称】单片机与嵌入式系统应用 【年(卷),期】2017(017)012 【总页数】5
【关键词】关键词: LFMCW；信号处理；C8051F120；TMS320F28335
引 言
线性调频连续波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave，LFMCW)雷达具有最小测量距离近、测量精度高、受自然环境影响小等特性，广泛应用于液位测量、无人驾驶、警戒监控等领域[1]。近年来大量学者从时域[2]、频域[3]、时频分析[4]等多个角度研究了LFMCW雷达信号处理算法，但是限于实验条件，大部分算法难以在线实验。现有的雷达信号处理系统主要基于DSP、FPGA或MCU。其中DSP具有较强的浮点运算能力，能够运行复杂算法，但是外设驱动能力较弱，同时完成系统控制和信号采集与处理将大大削弱其运算能力。FPGA外设资源丰富，但不具备浮点运算能力，较难运行复杂算法。MCU同样具有丰富外设，但是运算能力弱，无法实现复杂算法。
针对LFMCW雷达的研究现状，本文提出了一种MCU+DSP双核构架的方案，充分利用MCU外设丰富、DSP浮点运算能力强的特点，设计了雷达信号处理系统，解决精度较高、运算量较大的信号处理算法难以在线实验的问题；并在详细设计了雷达系统硬件电路的基础上，采用目前测距精度较高的算法进行了测距实验验证。
1 LFMCW雷达测距原理及系统方案
1.1 LFMCW雷达测距原理
在调制信号为三角波的情况下，LFMCW雷达发射信号、回波信号时频图如图1所示。
图1中B为调频带宽，T为调频周期，τ为发射信号与回波信号的时延，f0为差频信号频率。由图1中的三角关系可得[5]： 由雷达原理可知：
其中R为测量距离，c为电磁波速度。将式(2)代入式(1)，得到雷达测距公式： 由式(3)可知，只要得到差频信号频率，就可以计算出雷达测量的距离。 1.2 LFMCW雷达信号处理系统方案
设计采用MCU+DSP双核架构，系统方案如图2所示。以单片机信号采集核心，以DSP为信号处理核心。单片机实现调制信号生成、差频信号调理与采集等功能；DSP实现测距算法、串口通信等功能。单片机与DSP之间采用高速SPI通信。
射频前端部分采用国产某新型高性能24 GHz LFMCW雷达传感器，其VCO调制信号电压与发射频率曲线由图3所示。当调制信号电压在1.20～2.46 V之间时，发射信号线性度较好，发射频率为24.040～24.505 GHz，调频带宽B为
465 MHz。
MCU选用C8051F120，片内集成了两个12位的DAC，最高输出频率50 kHz，可以使用相位累加算法，通过自定义函数表产生任意高精度的周期信号。同时C8051F120还集成了12位ADC，转换速率可编程控制，最大可达到100 ksps。
DSP选用TMS320F28335，其主频为150 MHz，具有浮点处理单元，片内RAM为34K×16bit，片内Flash为256K×16bit,能够满足测距算法浮点计算的需要。
2 系统设计
2.1 调制信号产生模块
雷达前端压控振荡器(VCO)一般具有非线性特性，利用标准三角波作为调制信号输出的连续波频率往往不成线性变化。为了改善VCO输出信号的线性度，需要对雷达前端进行开环校正或闭环校正。工程中普遍采用开环校正，即根据图3所示的调制信号电压与发射频率的关系，采用非线性的调制电压信号驱动雷达传感器，抵消VCO 的非线性影响[6-7]。
设计采用C8051F120片内DAC，运用直接数字频率合成(DDS)的原理，将经过非线性校正的三角波波形数据存储到存储器中，调用生成调制信号。波形产生主要调用三个部分：累加器、定时器和存储器。每次调用定时器时，相位累加器的值增加一个PHASE_ADD，同时在存储器中查表寻找下一个DAC输出值。PHASE_ADD的大小根据下式计算得出： 式中，F为三角波频率，fs是DAC的采样速率。
DDS输出信号的频谱里一般包含理想输出频率、高频干扰和DDS数字杂散，
MCU+DSP的LFMCW雷达信号处理系统设计
