【《FMCW雷达测距系统联调探析案例》3700字】

IIIFMCW雷达测距系统联调分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u16423FMCW雷达测距系统联调分析案例 134491.1HLK-LD303-24G测距雷达模块 1208531.1.1HLK-LD303-24G雷达特性介绍 1228751.1.2HLK-LD303-24G雷达外观及接口 2325241.2实测差频信号的分析 4273891.2.1实测时域信号分析 442341.2.2实测频域信号分析 688201.3HLK-LD303-24G模块数据协议设置 7268681.4HLK-LD303-24G雷达模块指令设定 8217351.5FMCW雷达测距系统测试 10302471.5.1上机测试步骤 10145381.5.2FMCW雷达测距系统检测区测试 121.1HLK-LD303-24G测距雷达模块本文围绕FMCW雷达测距进行了深入分析,借助海凌科电子公司生产的HLK-LD303-24G测距雷达模块，设计实现了FMCW雷达测距系统设计及调试。下面对HLK-LD303-24G测距雷达模块进行了介绍。1.1.1HLK-LD303-24G雷达特性介绍HLK-LD303-24G是一款用于探测传感器与非静止目标之间距离的雷达模块。该款24GHz微波测距雷达与其他原理的测距传感器相比具有体积小，重量轻，测距范围广，具有一定的穿透能力(烟雾、粉尘、薄非金属材料等，墙等障碍物除外)，具备多目标识别测量能力等优势。它通过测量发射与接收信号之间的时间差来测量物体距离，工作方式为调频连续波方式(FMCW)。内部集成了微波雷达的所有信号处理单元，用户只需要通过异步串行接口即可获取物体距离。本微波测距雷达的数据接口采用异步串行通讯，其波特率为57600bit/s，逻辑电平为3.3VTTL电平，能够非常容易的与上位机或者其他MCU通讯，有效缩短了用户的开发周期。在较远距离（>10米）测距中，相比红外测距优势明显。搭配Arduino控制器可以很方便的运用到户外场景中，例如汽车倒车测距，自动感应装置，安防工控检测等。这种探测方式与其他探测方式相比具有如下几个优点：1.非接触探测；2.不受气候、噪声、气流、尘埃、光线等影响，能适应恶劣环境；3.抗干扰能力强；1.输出功率小，安全环保；5.探测距离远，测距精度高；6.感应角度大，测距范围广；7.微波的方向性很好，速度等同于光速；1.1.2HLK-LD303-24G雷达外观及接口该雷达模块的外观及接口如下图所示：图4-1-1模块数字面图4-1-2天线面选购的搭配的套件—模块+连接线+CP2104串口小板，接线方式如下图4-1-3所示：图4-1-3接线图通电之前要检查一遍连接的线序是否正确，模块与串口小板的TX/RX是交叉连接的。（不交叉连接，无法正常通信）另外，不能将VCC与GND接错，否则模块将烧坏。除此之外，也不能长时间在电脑USB口进行挂测，因为电脑USB端口供电不稳。技术参数：参数说明发射频率21.00-21.250GHz天线样式水平角度43°/竖直角度116°工作电流79mA（5V）工作电压DC5V-12V数据接口TTL串口数据格式115200，8，n，1响应时间≥60ms电平输出预留，未使用探测范围10-350cm探测盲区10cm探测精度5cm产品尺寸39×29mm1.2实测差频信号的分析1.2.1实测时域信号分析为了验证差频信号处理电路的性能，测出了不同距离上的差频信号的时域信号，这三组距离分别是1m，2m，3m。本文采用的实际实验参数如下参数如下：，，，分别测得在这三组距离的时域信号和将该信号放大滤波后的信号如下图所示：差频信号（2）放大滤波后的信号图3-1-3R＝1m时实测信号波形差频信号（2)放大滤波后的信号图3-1-4R＝2m时实测信号波形差频信号（2)放大滤波后的信号图3-1-5R＝3m时实测信号波形由上图可知，随着目标距离的不断增大，波形会越来越密集，即差频频率会越大，规则区和不规则区之间的差别也越明显。比较三组不同距离的差频信号与放大滤波后的信号波形后能观察到，已经很好地消除了寄生调幅产生的影响，因此解决了测量出多个值的问题，证明了系统各部件设计的可用性以及差频信号处理电路的性能。1.2.2实测频域信号分析为了进一步验证差频信号处理电路的性能，测出了频域信号的波形，并将它与时域信号波形一起进行分析，分别测出无人时，距离1m时和2m时的频域信号如下图所示：图3-1-3无人体时实测信号波形图3-1-4R＝2m时实测信号波形图3-1-5R＝3m时实测信号波形由以上三幅图可见，当目标距离为2m时，从时域波形上看泄漏三角波的影响已基本滤除，这点在频域上也可看到。信号具有较好的幅度、频率、相位特征。目标距离为3m时，其信号幅度与2m相比已经有衰减，但仍在可检测的幅度之内，其幅度衰减是由于其中频信号已处于中频滤波器的边带之上。因此，该FMCW雷达在工作时，其对目标距离为2米~3米的信号有良好的筛选能力，同时中频信号处理单元有效的消除了直流偏移以及波形泄漏的影响。1.3HLK-LD303-24G模块数据协议设置通信配置：TTL串口，默认波特率115200，数据位8，停止位1，无检验位。固定查询命令（HEX）：555A02D384模块默认为查询模式，发送固定十六进制查询命令，模块接收成功后上报距离等数据。通信格式：表5-1-1上行数据（模块发送）字域帧头长度地址距离预留状态信号强度微动雷达关闭校验字节数2112112111内容55A50AD3XXXXXXXXXXX说明：上报数据信息，上报间隔可设60ms-1s，默认60ms，名字域解析如下：长长度：除帧头及校验字节外的字节数，0x0A，固定字节地址：0xD3，固定字节距离：单位：cm，占2字节，高位在前预留：占1个字节，取值0x00，固定字节状态：目标有无。占1字节，0：无人1：有人信号强度：单位：k，占2字节，高位在前微动：取值0或1，0：无微动，1：有微动雷达关闭：雷达是否已关闭，取值0或1，0：没有关闭1：已关闭校验：和校验，除校验字阈外所有字节和，并取低8位，占1字节字域帧头地址命令号命令参数校验帧尾字节长度211212内容BAAB00E5XX0055BB表5-1-2下行数据（模块接收）说明：帧头：固定2字节，0xBAAB地址：0x00，固定字节命令号：设置最大检测距离的命令号，为0xE5，固定字节命令参数：设置最大检测距离，占2字节，高位在前校验：无校验，0x00，固定字节帧尾：固定2字节，0x55BB设置成功返回：0D0A7772697465206F6B0D0A即ASII码“回车+writeok+回车”1.4HLK-LD303-24G雷达模块指令设定为了方便使用，指令格式除了命令号及命令参数外，其余字域皆为固定字节。对应指令功能如下表所示：表5-2-1常用设置指令功能命令号（1字节）命令参数（2字节）描述最小检测距离E0取值范围：0-200，单位：cm，默认为10cm设置模块检测的最小距离，当目标距离小于最小检测距离时，距离结果保留最后一次测量的距离。最大检测距离E5取值范围：50-350，单位：cm，默认为350cm设置模块检测的最大距离，当目标距离大于最大检测距离时，距离结果为0cm。灵敏度E1取值范围：60-2000，单位：k，默认为300k设置模块检测灵敏度，参数值越低，检测越灵敏，对信号感知能力越强。通信协议F6取值6,76：协议6，查询模式7：协议7，自动上报模式通过修改协议类型，可修改通信数据的格式及通信模式。延迟时间D1取值范围：200-3000，单位：ms，默认为1000ms设置无目标判断延时，连续检测1000ms皆无发现目标则认为无目标。最小检测距离:数据显示的最小距离，当目标低于最小检测距离时，输出距离结果保留最后一次测量或清0（根据近处处理参数决定）。最大检测距离：数据显示的最大距离，当目标大于最大检测距离时，输出距离结果为0。灵敏度：设置必要条件:安装完成后，灵敏度必须大于检测区内无人时的最大信号强度。如检测区内无人时雷达检测信号强度为50k，则可将灵敏度设置为250、350、550等；

灵敏度参数值越小，感应能力越强，同时对干扰信号(如电源纹波、宠物、密闭空间反射等)的感应能力也增强，稳定模式推荐使用100~800,灵敏模式应该使用1000~3000这个范围内;另外，设置太高可能因为遮挡物造成的信号衰减而检测不灵敏或无法检测。调节最优的直观现象：长时间反复测试，检测区无人时，模块上的指示灯皆处于熄灭状态，只有人时才会点亮。延迟时间：如设置为1000ms，则雷达连续1s无法检测到目标时，距离结果清0（人离开检测区保留最后测量结果，持续1s后距离结果清0）。如需雷达持续输出距离数据可将改参数适当调高，避免人在检测区长时间不动作造成距离清0的误报。常用设置1000ms，如只需人进入检测区时的距离用作触发，则可将改参数设置较低，常用300ms。1.5FMCW雷达测距系统测试1.5.1上机测试步骤首先，按照图4-1-3所示完成接线，一定要注意模块与串口小板的TX/RX是交叉连接的，否则无法进行通信；（2）通过串口小板接电脑USB口，串口小板的黄灯会持续亮起，模块上的蓝灯会持续亮3秒左右后熄灭，如模块持续亮起，可能在模块的感应范围内存在微动或移动物体，要及时排查和确认；(3)打开电脑端的控制面板-系统与安全-管理工具，查看此电脑的端口号为COM3；（4）打开上机位软件：打开M303上机位软件，右键以管理员身份运行；打开后可看到该雷达默认的串口配置如下图：打开上位机-数据区，勾选HEX框，看是否有数据接收，如无，模块可能处于查询模式。（7）模块处于查询模式时，点击-微波配置界面，勾选是否循环查询框，并设置查询间隔，默认100ms，点击查询协议，即可连续循环查询测量结果，结果在主界面-串口配置页显示。（8）结果显示，距离和信号强度显示。1.5.2FMCW雷达测距系统检测区测试测试一探测范围测试测试目标：人体由上图可知，目标距离小于10cm或大于等于350cm时，雷达无法检测到目标。当目标距离雷达小于10cm时，属于雷达的探测盲区，无法接收到信号。当目标距离雷达大于350cm时，超出了雷达的探测区域，无法测量到距离。测试二角度与最远作用距离关系测试测试目标：人体安装：分别水平安装和垂直安装