一種雷達測距電路的製作方法

2023-04-24 04:16:01

本實用新型涉及一種雷達測距電路。

背景技術：

雷達是一種高精度高可靠性的複雜無線測試設備，可用於測距、測速或測量三維成像等。在軍事、航天航海、工業測量和交通測速等領域有著重要應用，特別是在某些強腐蝕、高潮溼、多粉塵等惡劣環境下的工業測量場合，雷達比雷射、超聲波等其它非接觸測量設備具有明顯優勢，如大型煤倉、油倉、粕倉等的料位測量，其量程大，環境惡劣、粉塵多、幹擾源複雜，這時須用大量程高精度雷達對其進行測量，常規的雷射等設備，由於粉塵多，對光的散射及幹擾大，很難做到大量程精確測量，而雷達則是解決這問題的理想設備。目前，強腐蝕、高潮溼、多粉塵等惡劣環境下的工業物位液位測量用的高精度大程雷達均是國外進口，如西門子，科隆等。國內目前在工業測量用雷達方面普通採用單一單片機或DSP處理器架構，這對生成高質量的調製信號是不利的；同時在處理器雷達天線輸出的I或Q路中頻信號時只取其中一路進行處理，這樣就很難在全測量範圍內保證測量的精度；在濾波方面也做得不好，特別是遠距離測量時，雷達天線洩漏的調製波容易淹沒有用信號導致測量誤差增大，量程變小。

技術實現要素：

本實用新型其目的就在於提供一種雷達測距電路，從而實現雷達中頻信號的處理、距離解算、顯示、設置、對外接口和供電等功能，電路採用模塊化設計思路，具有量程大、精度高、抗幹擾能力強、功能及對外接口齊全的特點。

實現上述目的而採取的技術方案，包括模擬調理板、數字核心板、電源及對外接口板、顯示及按鍵板，其特徵在於，所述模擬調理板輸出端連接雷達天線，模擬調理板輸入端連接數字核心板，數字核心板輸入端連接電源及對外接口板和顯示及按鍵板；

所述的模擬調理板，至少包括雷達天線輸出的I和Q兩路中頻信號的濾波及AD轉換模塊、產生雷達天線調製信號的DA轉換濾波及跟隨器模塊、溫度測量模塊、HART通訊模塊和超低紋波電源模塊；所述的中頻信號濾波包括四階高通濾波和二階低通濾波，其中，I路高通濾波器的截止頻率設為調製信號頻率的10倍，Q路高通濾波器的截止頻率設為調製信號頻率的2倍，高通濾波器的增益採用電容控制方式，且電壓統一偏置了2.5V，低通濾波為了防止信號幅度過大而失真，採用無源低通濾波方式，截止頻率設為中頻信號最高頻率的1.5倍；AD轉換模塊採用ADI公司的16位SPI接口的AD轉換器，最高採樣率達1MHZ；所述的DA轉換濾波及跟隨器模塊用來產生雷達天線所需的模擬調製信號，DA轉換採用ADI公司的16位SPI接口的轉換器，小型SO-8封裝，濾波為一低通無源二階濾波器，截止頻率為DA轉換率的2倍，以消除DA轉換帶來的高頻階梯波的影響，跟隨器包括一個由運算放大器組成的同相0增益電路，用於提高DA輸出的驅動能力；所述的溫度測量模塊採用DS18B20，用以測量雷達天線前端的實時溫度，從而補償由於溫度帶來的天線VCO的非線性；所述的HART通訊模塊主要用來產生工業標準的4~20mA電流，採用的核心晶片為AD421，為一款DA轉換晶片；所述的超低紋波電源模塊主要用來提供給雷達天線和模擬電路的高質量5V電源，採用的電源晶片為TI公司的TPS74系列的QFN-16封裝的一款晶片，最大輸出電流為1A，最小紋波可達uV級；

所述的數字核心板，至少包括FPGA邏輯陣列模塊、DSP數字處理器模塊和DC-DC電源轉換模塊，所述的FPGA邏輯陣列模塊為ALTERA公司CYCLONE II系列EP2C型可編程邏輯陣列，封裝形式為FBGA-256，實現調製信號DA輸出控制、I、Q及調製信號三路信號的AD採集及控制、溫度讀取、HART及RS485通訊控制及與DSP數字處理模塊間的通訊功能，其中DA，AD及HART控制均是通過三線式SPI接口實現，RS485通訊採用MAX3485協議晶片及光耦隔離實現；所述的DSP數字處理器模塊為TI公司的C6000系列的一款高速浮點DSP晶片，同時外擴數據存儲器SDRAM和程序存儲器FLASH，其功能是對FPGA送來的AD採樣數據進行快速傅立葉FFT計算，從而得到距離結果並把結果回送給FPGA；

所述的電源及對外接口板，至少包括AC220V轉DC24V模塊及AC220V、DC24V自動切換模塊、24V轉5V DC-DC模塊和HART接口、RS485接口、電源接口三個對外接口，所述的AC220V轉DC24V模塊包括EMC模塊和AC-DC模塊，EMC模塊為金昇陽公司的一款電磁兼容模塊，型號為FC-LX1D，AC-DC模塊為金昇陽公司LH25系列的一款交流轉直流開關電源模塊，把輸入的220V交流轉變成24V直流，最大輸出功率達25W；所述的AC220V、DC24V自動切換模塊至少包含兩個導通電壓不大於0.4V的二極體，用於從AC220V、DC24V兩路電壓中自動任選一路作為最後的24V輸出；所述的24V轉5V DC-DC模塊主要用於把24V轉換成5V，用的主要器件為TI公司的LM2576開關電源晶片，最大輸出電流可達3A；所述的HART接口、RS485接口為對用戶通訊接口，電源接口同時提供AC220V和DC24V兩種電壓輸入；

所述的顯示及按鍵板，至少包括一款液晶顯示屏、功能鍵、上移鍵、下移鍵、確認鍵四個按鍵和一款TMS32系列的單片機，單片機用以顯示控制並通過串口方式接收由FPGA送來的待顯示的結果數據，同時把通過按鍵輸入的配置參數信息通過串口傳送給FPGA。

有益效果

與現有技術相比本實用新型具有以下優點。

1、模塊化設計，模擬電路板、數字電路板、顯示板、電源及接口板分開設計及安裝，大大增強電路抗幹擾能力，方便維修與調試；

2、電路完整，功能齊全：提供測量、顯示、輸入設置、電源、用戶接口等全部功能電路；

3、抗幹擾能力強，電路可有效濾除環境及雷達天線本身帶來的各種幹擾；

4、量程大，最大量程可達150米；

5、精度高，優於滿量程的0.8%。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型作進一步詳述。

圖1為本實用新型的電路組成和邏輯示意圖。

具體實施方式

本裝置包括模擬調理板、數字核心板、電源及對外接口板、顯示及按鍵板，如圖1所示，所述模擬調理板輸出端連接雷達天線，模擬調理板輸入端連接數字核心板，數字核心板輸入端連接電源及對外接口板和顯示及按鍵板；

所述的模擬調理板，至少包括雷達天線輸出的I和Q兩路中頻信號的濾波及AD轉換模塊、產生雷達天線調製信號的DA轉換濾波及跟隨器模塊、溫度測量模塊、HART通訊模塊和超低紋波電源模塊；所述的中頻信號濾波包括四階高通濾波和二階低通濾波，其中，I路高通濾波器的截止頻率設為調製信號頻率的10倍，Q路高通濾波器的截止頻率設為調製信號頻率的2倍，高通濾波器的增益採用電容控制方式，且電壓統一偏置了2.5V，低通濾波為了防止信號幅度過大而失真，採用無源低通濾波方式，截止頻率設為中頻信號最高頻率的1.5倍；AD轉換模塊採用ADI公司的16位SPI接口的AD轉換器，最高採樣率達1MHZ；所述的DA轉換濾波及跟隨器模塊用來產生雷達天線所需的模擬調製信號，DA轉換採用ADI公司的16位SPI接口的轉換器，小型SO-8封裝，濾波為一低通無源二階濾波器，截止頻率為DA轉換率的2倍，以消除DA轉換帶來的高頻階梯波的影響，跟隨器包括一個由運算放大器組成的同相0增益電路，用於提高DA輸出的驅動能力；所述的溫度測量模塊採用DS18B20，用以測量雷達天線前端的實時溫度，從而補償由於溫度帶來的天線VCO的非線性；所述的HART通訊模塊主要用來產生工業標準的4~20mA電流，採用的核心晶片為AD421，為一款DA轉換晶片；所述的超低紋波電源模塊主要用來提供給雷達天線和模擬電路的高質量5V電源，採用的電源晶片為TI公司的TPS74系列的QFN-16封裝的一款晶片，最大輸出電流為1A，最小紋波可達uV級；

所述的數字核心板，至少包括FPGA邏輯陣列模塊、DSP數字處理器模塊和DC-DC電源轉換模塊，所述的FPGA邏輯陣列模塊為ALTERA公司CYCLONE II系列EP2C型可編程邏輯陣列，封裝形式為FBGA-256，實現調製信號DA輸出控制、I、Q及調製信號三路信號的AD採集及控制、溫度讀取、HART及RS485通訊控制及與DSP數字處理模塊間的通訊功能，其中DA，AD及HART控制均是通過三線式SPI接口實現，RS485通訊採用MAX3485協議晶片及光耦隔離實現；所述的DSP數字處理器模塊為TI公司的C6000系列的一款高速浮點DSP晶片，同時外擴數據存儲器SDRAM和程序存儲器FLASH，其功能是對FPGA送來的AD採樣數據進行快速傅立葉FFT計算，從而得到距離結果並把結果回送給FPGA；

所述的電源及對外接口板，至少包括AC220V轉DC24V模塊及AC220V、DC24V自動切換模塊、24V轉5V DC-DC模塊和HART接口、RS485接口、電源接口三個對外接口，所述的AC220V轉DC24V模塊包括EMC模塊和AC-DC模塊，EMC模塊為金昇陽公司的一款電磁兼容模塊，型號為FC-LX1D，AC-DC模塊為金昇陽公司LH25系列的一款交流轉直流開關電源模塊，把輸入的220V交流轉變成24V直流，最大輸出功率達25W；所述的AC220V、DC24V自動切換模塊至少包含兩個導通電壓不大於0.4V的二極體，用於從AC220V、DC24V兩路電壓中自動任選一路作為最後的24V輸出；所述的24V轉5V DC-DC模塊主要用於把24V轉換成5V，用的主要器件為TI公司的LM2576開關電源晶片，最大輸出電流可達3A；所述的HART接口、RS485接口為對用戶通訊接口，電源接口同時提供AC220V和DC24V兩種電壓輸入；

所述的顯示及按鍵板，至少包括一款液晶顯示屏、功能鍵、上移鍵、下移鍵、確認鍵四個按鍵和一款TMS32系列的單片機，單片機用以顯示控制並通過串口方式接收由FPGA送來的待顯示的結果數據，同時把通過按鍵輸入的配置參數信息通過串口傳送給FPGA。

如圖1所示，本裝置包括雷達天線、模擬調理板、數字核心板、電源及對外接口板、顯示及按鍵板、外部AC220V或DC24V電源。

把雷達天線與模擬調理板相連，並把模擬調理板、數字核心板、電源及對外接口板、顯示及按鍵板的板間供電及通訊線連接好，給電源板電源輸入接口供AC220V或DC24V電源。

在所有電路連接好並供電後，數字核心板中的FPGA邏輯陣列模塊首先給模擬調理板的DA轉換器通過SPI接口給其發送DA輸出控制命令，在經過低通濾波及跟隨器後，可輸出標準的頻率及幅值可調的三角波調製信號Vt並輸入給雷達天線，雷達天線前端受調製信號Vt的連續調製後，其發射頻率隨Vt的變化而變化，其中心頻率為24GHZ，帶寬約為300MHZ，當雷達天線發射信號與被測物呈近似90度關係時，此時雷達天線可輸出I和Q兩路包含距離信息的中頻信號，被測距離越大，中頻信號頻率越高。把中頻信號輸入至模擬調理板，模擬調理板對中頻信號中含有的三角波調製信號的洩漏及環境幹擾雜波進行濾除，然後進行AD轉換，並通過SPI接口把AD轉換後的數位訊號送給FPGA邏輯陣列模塊，FPGA邏輯陣列模塊對I和Q兩路中頻信號的AD轉換結果進行讀取並通過內部FIFO傳送給DSP數字處理器，DSP數字處理器對送來的數據進行FFT頻譜分析和運算並得出與譜線峰值相應的距離值，然後把距離值回送給FPGA。FPGA一方面把距離值送給顯示板進行顯示，一方面把距離值進行轉換並控制模擬調理板上的HART模塊，輸出4~20mA標準電流信號至HART接口，同時把距離值通過RS485接口傳送至用戶端，從而實現距離的測量與顯示等功能。