【《毫米波雷达测距系统设计》8900字（论文）】

[2]。通过对雷达芯片进行调频，可以清楚地看出通过雷达发射的信号与接收的信号频率随时间而变化的基本规律曲线图如图2.1所示，在时间轴上存在接收信号和发射信号的时间差τ，即两个连续波峰之间的距离，即从雷达上发射到目标再返回到雷达接收器上的时间。则距离R可表示为:R=cτ/2(2.3)其中，c为电磁波的传播速度。fbfbfb+Δfb+Δf发射接收接收ttττfb-Δfb-ΔfTM(a)发射信号，接收信号频率时间曲线fbfbffb+fbfb-tt(b)差频信号频率时间曲线图2.1收发信号的频率时间曲线由图2.1中图形的几何关系得：τ/Δf=TM/2B(2.4)其中，TM表示周期，B表示调制带宽，将(2.3)代进(2.4)中，化简后可得到距离R：R=(cTM/4B)Δf(2.5)由此我们可充分看出，雷达的信号调制距离带宽和目标调制周期在一定情况下，目标距离R和雷达信号频率Δf成一个比例关系，所以若我们能从频谱中得知中频雷达信号调制频率Δf，即可以计算出目标物体的距离。因此，FMCW调制的雷达计算相对简单，只需要计算出两波峰之间的频率差，再通过公式就很容易计算出目标物体的距离了。2.4本章小结本章分析了毫米波雷达的基本组成，毫米波雷达的基本特性以及利用线性调制连续波的测距原理，线性调制连续波(FMCW)既可以测定速度也可以测量距离，根据收发信号的频率变化曲线图，得出目标距离的计算公式,通过频率变化曲线图，计算出在波形中两个波峰之间的相对距离，进而求出雷达到测量目标的距离。

第3章电路设计3.1电路系统结构毫米波天线雷达的系统功能框图设计如图3.1所示，其中本系统应用的是24G微波毫米波测距感应天线雷达控制模块FM24-NP100，它是以STM32F303处理器为主要核心，FM24-NP100是一种基于K毫米波段的调频毫米波微波天线测距感应雷达，它采用调频收、发天线合为一体的设计方式。它的主要工作原理是采用调频连续接收波即FMCW调制模式，可以准确测量出从雷达输出到静止的目标物体的距离。电源(5v)电源(5v)控制器MCU接口24GHz收发器3.1雷达系统框图3.2电路系统组成3.2.1雷达芯片选型雷达集成芯片BGT24MTR11是24G单片微波毫米波感应雷达芯片，它的内部集成了微波雷达的所有信号处理单元，它采用接收发一体的设计，雷达的无线电通信链具有较高的分布图，具有无线频率MMIC和天线的共同面，有效地减少了无线频率链的损失。测距范围从0.6m到2.30m，最大供给电压8V，最大功率可达0.39W，芯片中有四个通道，其中，PIN1接电源，PIN2接地，PIN3为接收信号，PIN4为发射信号，串口默认波特率为57600，调制带宽为240MHZ。其内部结构如图3.2所示。图3.2BGT24MTR11内部结构图3.2.2雷达信号波形ADF4158是6.1GHz小数N分频的频率的微型反应器，它具有自动完成调制和快速转换不同波形发射信号及形成的工作能力。其中一个波形发生器包括25位固定发射频率光谱模式，它可提供6.1HZ的稳固频率分辨率。它的组成包括精巧的电荷泵、低噪音数字检测器(PFD)以及可编程频率分辨器。其中内部器件Σ-Δ的小数插值控制装置，这种可编程系数少数N的分频器件才能成功实现。ADF4158可用于调制解调器(FSK)和调制解调器(PSK)，ADF4158可以周跳减少回路，进而大大缩短了回路通过时间，而不必改变环路滤波器。其主体内部结构设计如下图3.3所示。BGT24MTR11与ADF4158的连接图如图3.5所示。图3.3ADF4158结构图3.2.3测距处理器选型中央处理器通常是整个系统的最为重要的部分。它的工作性能直接影响整个系统的工作性能，由于本系统设计的是毫米波雷达测距电路，因此要求处理器必须有强大的计算功能，才可以满足系统的实时性。本设计选用STM32F303处理器，它是一款性能很好的MCU处理器。它既具有强大的运算能力，能够同时将DSP和FPU运算端子集合起来处理数据，同时又有集成运算端口(OPAMP)。这种运算放大器可以放大很微小的信号，而这些刚好符合本毫米波雷达测距系统的要求，从BGT24MTR11出来的信号是微弱的信号，只有在放大之后才会被ADC采样。STM32F303内部结构图如图3.4所示。 图3.4STM32F303内部结构图图3.5BGT24MTR11与ADF4158连接图3.3本章小结本章主要完成了毫米波雷达测距系统的相关硬件电路的设计，以及主要器件BGT24MTR11及处理器等的相关介绍及结构图。根据实际毫米波雷达测距系统的需求，选择了STM32F303处理器,完成了毫米波雷达硬件电路的相关设计。

第4章软件设计4.1测距系统软件设计毫米波系统的应用软件设计是由初始化，数据采集，信号处理以及串口数据通讯几个部分组成，具体工作流程及框图设计如图4.1所示。 开始系统初始化开始系统初始化数据采集，信号处理串口通讯图4.1系统程序总流程图(1)系统初始化系统的初始化是指系统数据结构初始化，各个芯片的配置，外部中断，内部中断以及对串口进行初始化。初始化程序如下：#defineADF4158_CS_EN()

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_9)#defineADF4158_CS_DIS()

GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_9)#defineBGT24MTR11_CS_EN()GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_10)#defineBGT24MTR11_CS_DIS()GPIO_SetBits

(GPIOC,GPIO_Pin_0)#define

RF_CLK_HIGH()

GPIO_SetBits

(GPIOC,GPIO_Pin_11)#define

RF_CLK_LOW()GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_11)

#define

RF_DATA_HIGH()

GPIO

SetBits

(GPIOC,GPIO_Pin

_12)

#define

RF_DATA_LOW()

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_12)将串口进行初始化：设置其波特率为57600.(2)数据采集在一个波形的数据接收器中，如果接收到一个具有一定周期性的调制波形，这个波形器就可以随机自动地向外发送一个高电平，软件中每当给波形器设置一个波形的上升沿时，就会自动触发外部终止，当MUX_TX引脚输出一个高电平的时候，就会进入内部终止，从那之后，为了收集数据并且同时安装调制波形的25us中断来实现外部数据的自动收集，即从每一段波形中提取一个中断数据，这样可以同时获得制造波形所需要的数据，收集整个波形数据，而不是混乱的数据。(3)数据的输出数据输出包括两种方式：1.当系统选择端口6接地，表示距离及频谱信号数据的同时输出。此时，数据可分为数据头、距离数据、频谱数据和数据尾五个组成，格式定义如下：

0xff，0xff，0xff，0x**，0x**，0x##.….0x##，0×00，0×00，0×00前面三个0xff指的就是一个开始数据的8位信息开始,下面的0x**指的就是16位一个信息开始距离一个单位信息的高8位,第二个0x**指的就是一个信息距离8位一个信息的低8位。其中它的平均距离测量系数通常可用16位的一个二进制数字来精确化地表示，单位为米。第一个0x##的值是曲线距离谱面的第一个谱面曲线距离幅度，然后的值就是第二条谱面曲线的距离幅度，以此类推，总共可以有126条谱面曲线。谱面曲线的最小幅度变化范围一般为1-44。最后三组0x00表示一个数据尾，代表一组数据的完成。2.当系统选择端口悬空，输出数据仅有距离信息，格式定义如下：0xff，0xff，0xff，0x**，0x**，0×00，0×00，0×00

前面三个0xff指的就是一个数据源开始，后面的0x**则用来表示16位信息距离一数据信息的高8位，第二个0x**则用来表示16位数据信息距离一个信息的低8位。其中它的距离可通过16位的一个二进制数字来表示，单位为米。剩下的三组0x00用来表示每个数据的结尾。(4)串口的通讯串口通讯将测量的距离数据传送给屏幕，显示测量结果，以及数据的采集和分析。(5)信号处理信号处理流程图如图4.2所示，在两条数据中，直流的时候，会产生复数的数据。通过数据运行窗口及FFT变换，获得对应频率，进而计算出距离。计算距离原始数据1计算距离原始数据1原始数据2去直流去直流合成复合数据加窗FFT 图4.2信号处理流程图4.2本章小结本章主要完成了毫米波雷达模块的软件设计，编写了整个系统的软件。对系统进行初始化，信号的处理，数据的输出，数据的采集以及串口的设置。并结合第三章的硬件电路的设计，完成了对毫米波雷达测距系统软件的设计。

第5章测试与实验5.1雷达系统组装如图5.1，5.2为毫米波雷达系统电路板实物图。图5.1为毫米波雷达测距模块天线面的电路实物图。图5.2为毫米波雷达内部主要电路实物图。图5.1天线面电路板图5.2电路板实物图将FM24-NP100毫米波雷达测距模块与 雷达配套显示器demo组装连接，使毫米波雷达测距模块测得的距离以及距离谱线实时显示在显示器上，便于读数及数据的分析。如图5.3所示。图5.3毫米波模块实物图5.2实验数据的采集本实验测量了0.8m和1.12cm的静止物体相对于毫米波雷达模块的距离，测量出距离数据以及对应的谱线并分析测量结果。具体测量实物图如图5.4和5.5所示。图5.4图5.5表5.1测距数值表次数12345678910距离(m)0.600.630.690.740.780.810.880.940.981.03次数11121314151617181920距离(m)1.121.201.281.351.391.411.501.581.621.72次数21222324252627282930距离(m)1.791.831.962.052.122.192.252.282.302.30由表5.1可知，经过30次的测量实验结果，测量出该毫米波雷达模块测距的范围大概为0.60m~2.30m。此毫米波雷达模块的光谱数据可以被输出，它一共可输出126个光谱，平均每2个光谱的距离为0.08米，每个光谱的数值大小都有对应意义，即表示信号强度，强度范围为0-44。其中的光谱线如表5.2所示：表5.2光谱线表序号123456789101112131415126强度值000000000220003500从表中可看出只有在10和14的位置有强度，其他位置的强度值为0，说明此毫米波雷达只有在10和14的位置有物体存在并检测到，其余位置无物体。在序号10位置物体与雷达相距:0.08*10=0.80m。在序号14中，物体与雷达相距:0.08*14=1.12m。5.3本章小结本章主要进行完整的毫米波雷达测距实验系统，对于两个不同距离的静止物体进行了实验测量，得出对应的距离谱线并进行分析，经过对静止物体进行30组数据的实验测量，测量出毫米波雷达模块的测距范围以及对数据进行采集和谱线分析。成功试验了该毫米波雷达测距模块的功能的实现。

第6章总结与展望6.1总结本设计预期是设计一个毫米波雷达测距系统，毫米波雷达模块应用的是FM24-NP100模块，通过调频连续波的方式，测量出收发信号之间的时间频率差，计算得到距离，最终显示在显示屏上。根据查阅相关资料及基本原理实现测距功能。论文完成了下列任务：对FMCW调