TRENČIANSKA UNIVERZITA ALEXANDRA DUBČEKA
FAKULTA MECHATRONIKY
Študijný odbor: MECHATRONIKA
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora HB410
Diplomová práca
Študent: Miloš BENKO
Zadávateľ diplomovej práce: Siemens Program and System Engineering s.r.o.
KE FM TnUAD Trenčín
Pedagogický vedúci: Ing. Branislav Anwarzai
Odborný konzultanti: Ing. Ján Uhrín
Ing. Ján Butaš, PhD
Ing. Branislav Anwarzai
TRENČÍN 2006
Anotácia
BENKO, Miloš: Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora.
[Diplomová práca] / Miloš BENKO - Trenčianska univerzita Alexandra Dubčeka.
Fakulta mechatroniky; Katedra elektrotechniky; Odbor: Mikromechatronika.
Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom a realizáciou radarového rýchlomera
určeného pre oblasť aplikácií v mobilných robotických systémoch. Navrhnutý systém je
číslicový obvod, ktorý spracováva signál z mikrovlnného radarového senzora. Tento
senzor pracuje na princípe Dopplerovho javu. V práci sú prezentované metódy merania
rýchlosti pohybujúcich sa objektov, ako aj vybrané metódy číslicového spracovania
signálov s implementáciou programovateľných poliach - FPGA.
Abstract
BENKO, Miloš: Signal processing microwave radar sensor.
[Diploma work] / Miloš BENKO - Alexander Dubček University of Trenčín. Faculty of
mechatronics;
Department
of
Electrical
Engineering;
Specialization:
Micromechatronics.
This diploma work deals with project and realization of radar speedometer
designed for applications in mobile robotic systems. Designed system is a digital circuit
which processes signal from microwave radar sensor. This sensor works on the
principle of Doppler effect. In our diploma work we present speed measuring methods
of moving objects and methods of digital signal processing implemented in FPGA.
Čestné prehlásenie
Podpísaný Miloš BENKO týmto čestne prehlasujem, že som diplomovú prácu
vypracoval samostatne na základe odborných konzultácií, s využitím uvedenej literatúry
a poznatkov získaných počas inžinierskeho štúdia.
V Trenčíne dňa 5.5. 2006
.....................................
Podpis diplomanta
Poďakovanie
Touto cestou by som sa rád poďakoval môjmu pedagogickému vedúcemu Ing.
Branislavovi Anwarzaiovi a odborným konzultantom Ing. Jánovi Uhrínovi, Ing. Jánovi
Butašovi, PhD, Ing. Branislavovi Bačovi za odborné vedenie, vecné rady a pripomienky
pri vypracovávaní tejto diplomovej práce.
Moje veľké poďakovanie patrí aj mojej rodine za podporu pri písaní diplomovej
práce.
Obsah
Zoznam obrázkov a tabuliek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Zoznam skratiek a symbolov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Úvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1. Meranie a spracovanie údajov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2. Elektromagnetické pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2.1 Mikrovlny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
3. Bezkontaktné metódy merania rýchlosti pohybujúcich sa objektov . . . . . .21
3.1 Priame metódy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3.2 Nepriame metódy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
4. Radary pre kontrolu a riadenie dopravy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
4.1 Kosínusový faktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
5. Mikrovlnný radarový senzor HB410 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
5.1 Meranie rýchlosti pomocou senzora HB410 s obvodom analógového
predspracovania signálu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
6. Číslicové spracovanie signálov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
6.1 Analógovo číslicové prevodníky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6.1.1 Shannonova veta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
6.1.2 A/D prevodník MCP3202 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
6.2 FPGA (Field Programmable Gate Array). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
6.2.1 FIR filtre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
6.3 Vývojové prostredie Xilinx ISE WebPACK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
6.4 Jazyk VHDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
7. Návrh architektúry spracovania signálu zo senzora HB410. . . . . . . . . . . . .45
7.1 Návrh architektúry spracovania signálu z HB410 s obvodom
analógového predspracovania signálu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
7.1.1 Návrh bloku merania frekvencie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
7.1.1.1 Rozsah merania frekvencie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
7.1.2 Návrh komunikačného bloku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
7.1.3 Vizualizačný softvér radarového rýchlomera . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
7.2 Návrh architektúry spracovania signálu z HB410 bez obvodu
analógového predspracovania signálu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
7.2.1 Návrh bloku pre prevod sériových dát z A/D prevodníka na
paralelné dáta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
7.2.2 Návrh FIR filtra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
7.2.3 Návrh komparačného bloku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
8. Meranie rýchlosti pomocou navrhnutého systému a vyhodnotenie chýb
a neistôt merania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.1 Meranie rýchlosti pomocou navrhnutého systému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.2 Chyby a neistoty merania. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
8.3 Vyhodnotenie chýb a neistôt merania rýchlosti navrhnutým systémom. . . 65
Záver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Použitá literatúra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
Zoznam príloh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Zoznam obrázkov a tabuliek
Obr.1
Základné usporiadanie pre získavanie a spracovanie informácií
Obr.2
Elektromagnetická vlna
Obr.3
Spektrum elektromagnetického žiarenia
Obr.4
Dopplerov jav
Obr.5
Princíp využitia Dopplerovho javu pri meraní rýchlosti objektov
Obr.6
Spôsob merania rýchlosti vozidla voči vozovke
Obr.7
Vplyv uhla α na meranie rýchlosti vozidiel
Obr.8
Veľkosť skutočnej rýchlosti meranej radarom v závislosti od uhla α
Obr.9
Senzor HB410
Obr.10
Závislosť Dopplerovej frekvencie fD od rýchlosti v pohybujúceho sa objektu
Obr.11 Vnútorné zapojenie senzora HB410
Obr.12
Vyžarovacie charakteristiky senzora HB410
Obr.13
Tvar signálu na výstupe obvodu analógového predspracovania signálu
Obr.14
Bloková schéma systému číslicového spracovania signálov
Obr.15
Bloková schéma A/D prevodníka
Obr.16 Typická štruktúra obvodu FPGA
Obr.17
Štruktúra FIR filtra
Obr.18
Základné okno prostredia Xilinx ISE 7.1i WebPack
Obr.19
Postup návrhu číslicového systému vo VHDL
Obr.20
Bloková schéma prvého návrhu radarového rýchlomera
Obr.21 Bloková schéma bloku FPGA prvého návrhu radarového rýchlomera
Obr.22
Pravdivostná tabuľka logickej funkcie rising_edge
Obr.23
Bloková schéma funkcie pre detekciu nábehovej hrany
Obr.24 Usporiadanie jednotlivých bitov informácie v príslušných registroch
Obr.25
Výsledná simulácia prvej navrhnutej architektúry
Obr.26
Tvar dát prijatých v PC
Obr.27
Usporiadanie jednotlivých bitov v daných premenných
Obr.28
Výsledný tvar informácie uloženej v premennej IntVal
Obr.29 Pracovné okno radarového rýchlomera
Obr.30
Bloková schéma druhého návrhu radarového rýchlomera
Obr.31 Bloková schéma bloku FPGA druhého návrhu radarového rýchlomera
9
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr.32 Počet bitov prenesených počas jednej periódy vzorkovacej frekvencie
Obr.33
Výstupný signál A/D prevodníka
Obr.34 Detail A signálu na obr. 33
Obr.35
Frekvenčná charakteristika FIR filtra
Obr.36 Priebeh signálu z A/D prevodníka a signálu z FIR filtra
Obr.37
Bloková schéma FIR filtra
Obr.38
Priebeh výstupného signálu FIR filtra
Obr.39
Detail B signálu na obr.38
Obr.40
Signál zo senzora spolu so signálom z komparátora
Tab.1
Frekvenčné pásma podľa IEEE
10
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Zoznam skratiek a symbolov
α
základný merací uhol, ktorý je vymedzený stredovou osou vyžarovacej
charakteristiky antény a vektorom rýchlosti pohybujúceho sa objektu
A/D
Analog/Digital converter (analógovo/číslicový prevodník)
ALU
Aritmetics Logic Unit (Aritmeticko-logická Jednotka)
ASIC
Application Specified Integrated Circuit (Zákaznícky integrovaný obvod)
ce
rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn
cz
rýchlosť šírenia zvukových vĺn
CLB
Configurable Logic Block (konfigurovateľný logický blok)
CMOS
Complementary Metal Oxid Semiconductor
CS
Chip Select (signál pre A/D prevodník)
DSP
Digital Signal Processing (číslicové spracovanie signálu)
E
vektor intenzity elektrického poľa
F0
frekvencia vysielača mikrovlnného žiarenia
fd
dolná hranica priepustného pásma FIR filtra
fD
rozdielová (Dopplerova) frekvencia
FFT
Fast Fourier Transform (Rýchla Furiérova Transformácia)
fh
horná hranica priepustného pásma FIR filtra
FIR
Finite Impulse Response (filter s konečnou impulzovou odozvou)
FPGA
Field Programmable Gate Array
fT
testovacia (referenčná) frekvencia generovaná v bloku frequency
fvz
vzorkovacia frekvencia A/D prevodníka
H
vektor intenzity magnetického poľa
HDL
Hardware Description Language ( jazyk pre opis funkcie číslicových
systémov)
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers ( Technická
nezisková
organizácia, ktorá sa zaoberá podporou inžinierskych procesov, integráciou,
využitím a zdieľaním vedomostí o elektronických,
informačných
technológiách a vedách)
IIR
Infinite Impulse Response (číslicový filter s nekonečnou impulzovou
odozvou)
JTAG
Joint Test Action Group (programátor obvodov FPGA)
11
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
N
rozlíšenie A/D prevodníka
OZ
Operačný Zosilňovač
PLD
Programmable Logic Device (programovateľné logické obvody)
RADAR Radio Detecting And Ranging (zariadenie pre detekciu a lokalizáciu
objektov)
RAM
Random Acsess Memory (pamäť RAM)
ROM
Read Only Memory (pamäť ROM)
RTL
Register Transfer Level (úroveň medziregistrových prenosov)
s
dráha, po ktorej sa pri meraní pohyboval model vozidla
SPI
Serial Peripheral Interface (sériové rozhranie)
Tvz
perióda vzorkovacej frekvencie A/D prevodníka
Uref
referenčná hodnota napätia A/D prevodníka
v
hodnota rýchlosti nameraná navrhnutým systémom
v0
hodnota rýchlosti vypočítaná na základe merania času stopkami
v1
hodnota rýchlosti vypočítaná z frekvencie nameranej osciloskopom
vs
skutočná hodnota rýchlosti vozidla
12
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Úvod
V súčasnosti je známych viacero metód bezkontaktného merania rýchlosti.
Najbežnejším prostriedkom pre detekciu a určovanie rýchlosti pohybujúcich sa objektov
sú radary. Medzi ich výhody patrí vysoká spoľahlivosť, relatívne vysoká presnosť
merania a jednoduchá manipulovateľnosť.
Cieľom tejto práce je navrhnúť a realizovať systém, ktorý dokáže merať, prípadne
aj zaznamenávať rýchlosť pohybujúcich sa objektov. Tento systém by mal byť čo
najjednoduchší a malých rozmerov. Ďalším cieľom je popísať princíp činnosti takýchto
systémov a predstaviť niektoré existujúce systémy.
Navrhnutý systém je číslicový obvod, ktorý spracováva signál z mikrovlnného
radarového senzora. Tento senzor pracuje na princípe Dopplerovho javu. Číslicové
spracovanie signálov má oproti analógovému spracovaniu výhody vyššej flexibility
a schopnosti komunikácie s nadradenými systémami.
V súčasnosti je kladený veľký dôraz na spracovanie signálov v reálnom čase.
A práve snaha zvýšiť rýchlosť systémov spracovania signálov vedie k vývoju
a používaniu výkonnejších digitálnych obvodov a takisto k ich miniaturizácii. Možno
tým dosiahnuť lepší pomer cena/výkon. Preto sme sa rozhodli pre spracovanie
výstupného analógového signálu z mikrovlnného senzora navrhnúť digitálny obvod.
Ako technické prostriedky číslicového spracovania signálov sa používajú
signálové procesory (DSP), obvody FPGA alebo obvody ASIC. V určitých prípadoch
môže byť použitá i výpočtová technika PC, ale tá je nevýhodná pre veľké rozmery,
z ktorých vyplýva horšia mobilnosť. Nevýhodou je takisto vysoká cena.
Navrhnutý systém môže byť využitý vo viacerých oblastiach, či už pre aplikácie
v doprave, alebo s ohľadom na jeho rozmery v mobilných robotických systémoch, kde
takéto zariadenie môže byť súčasťou samotného robota. Potom je robot schopný
monitorovať svoju rýchlosť a tento údaj ďalej použiť ako jeden z parametrov pre ďalšie
rozhodovanie.
13
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Táto práca je rozčlenená do týchto kapitol:
Kapitola 1 poskytuje všeobecný prehľad možností merania rôznych veličín,
metódy ich spracovania a zobrazovania v tvare zrozumiteľnom pre človeka. V súvislosti
s popisom
princípu
činnosti
radarov
obsahuje
kapitola
2
časť
venovanú
elektromagnetickému poľu. Kapitola 3 popisuje metódy merania rýchlosti pohybujúcich
sa objektov a v kapitole 4 sú popísané systémy, ktorých činnosť je založená na týchto
metódach. Kapitola 5 obsahuje informácie o samotnom senzore, ktorý využívame
v navrhnutej aplikácii. Kapitola 6 je venovaná popisu číslicového spracovania signálov,
pojednáva o obvodoch FPGA, ktoré sa používajú na číslicové spracovanie signálov.
Kapitola tiež predstavuje jazyk VHDL ako nástroj pre návrh číslicových obvodov.
V kapitole 7 je popísaný samotný návrh architektúry systému spracovania signálu zo
senzora, ktorý obsahuje aj obvod analógového predspracovania signálu. V tejto kapitole
je takisto popísaný návrh architektúry systému spracovania signálu zo samotného
senzora. Tento návrh umožňuje odstrániť obvod analógového predspracovania signálu
v systéme a jednoduché prepojenie s PC.
Posledná kapitola popisuje meranie rýchlosti modelu vozidla pomocou
navrhnutého systému a analyzuje dosiahnuté výsledky merania.
14
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1. Meranie a spracovanie údajov
Nástroj na získavanie fyzikálnych veličín kvalitatívneho aj kvantitatívneho
charakteru sa nazýva senzor. Základnou štruktúrou na získavanie a spracovanie
informácií je informačný alebo merací reťazec (kanál), zložený zo vstupnej jednotky,
procesora a výstupnej jednotky (obr.1).
VSTUPNÁ
JEDNOTKA
PROCESOR
VÝSTUPNÁ
JEDNOTKA
Obr.1 Základné usporiadanie pre získavanie a spracovanie informácií [5]
Vstupnou jednotkou je senzor, v ktorom sa prevádza výstupný signál zo senzora
na signál vhodný pre ďalšie spracovanie. Senzor je najdôležitejšou časťou informačného
alebo meracieho kanála. Určuje kvalitu získaného signálu (informačný obsah, presnosť,
stabilitu, rýchlosť merania a pod.), rozhoduje aj o cene kanála (materiálová a výrobná
náročnosť senzora) a takisto ovplyvňuje aj spoľahlivosť celého systému. Senzor
realizuje prvý stupeň účelovo orientovanej redukcie informácií, poskytovaných zdrojom
informácií (transformuje informáciu na signál).
Procesor zabezpečuje primárne spracovanie výstupných signálov vstupnej
jednotky. Rozlišujú sa dve úrovne:
a)
predspracovanie signálu (conditioning, preprocessing) - filtrácia,
potlačenie šumu, A/D prevod, linearizácia vstupno/výstupných charakteristík,
zosilnenie signálu, modulácia, a pod.
b)
spracovanie signálu (processing) - aritmetické, štatistické a logické
operácie, spektrálna analýza, korelačná (regresná) analýza, kalibrácia, korekcia,
automatické nulovanie, zmena rozsahu a pod.
Procesor sa realizuje mikroprocesormi, niektorými typmi programovateľných
obvodov, alebo špecificky na danú aplikáciu určeným integrovaným obvodom ASIC.
15
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Vo výstupnej jednotke sa spracovaný signál indikuje (napríklad vo vizuálnej alebo
akustickej podobe), registruje (napr. zaznamenáva do pamäti) alebo sa použije priamo
na reguláciu sledovaného procesu. [5]
Senzory možno rozdeliť podľa rôznych hľadísk. V tejto práci uvádzame len
najzákladnejšie rozdelenie senzorov. Z aplikačného hľadiska rozlišujeme senzory
neelektrické (pneumatické, mechanické a iné), elektrické (elektronické, polovodičové
a iné).
Podľa druhu snímanej veličiny rozlišujeme senzory mechanických (poloha,
rýchlosť, otáčky a pod.), tepelných (teplota, tepelný tok), elektrických (prúd, výkon),
magnetických (magnetická indukcia, intenzita magnetického poľa), radiačných
(intenzita viditeľného, infračerveného a ultrafialového žiarenia a žiarenia α, β, γ)
a chemických veličín (pH, koncentrácia, vlhkosť).
Podľa využívaného javu, prípadne princípu snímania, ktorý určuje druh
výstupného signálu zo senzora, rozlišujeme senzory fotoelektrické, piezoelektrické,
termoelektrické, magnetostrikčné, akustoelektrické a iné.
Z hľadiska interakcie senzora s meraným alebo detekovaným objektom, možno
ešte rozlišovať senzory kontaktné a bezkontaktné. [3], [5]
Bezkontaktné senzory získavajú informácie z okolitého prostredia hlavne formou
elektromagnetického vlnenia. Týmto spôsobom získava informácie aj senzor, ktorý sme
zvolili pre navrhnutú aplikáciu (uvedený v kapitole 5). Považovali sme preto za
potrebné uviesť zopár informácií o elektromagnetickom poli a takisto zákonoch,
ktorými sa riadi. Tieto informácie sú uvedené v nasledujúcej kapitole.
16
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2. Elektromagnetické pole
Elektromagnetické pole je formou pohybujúcej sa hmoty, ktorá sa vyznačuje
spojitým rozložením v priestore (ako elektromagnetické vlny). Má súčasne aj diskrétnu
štruktúru (fotóny), charakterizovanú schopnosťou šíriť sa vákuom rýchlosťou
c e = 2,997 ⋅ 10 8 m ⋅ s -1 a prejavujúcu silové pôsobenie na častice s nábojom. Silové
pôsobenie elektromagnetického poľa možno popísať matematicky pomocou vektorov E
a H a takto vytvorené polia potom nazývame elektrickým, resp. magnetickým poľom.
Tieto dva vektory sú na seba kolmé a takisto sú kolmé na smer šírenia
elektromagnetickej vlny, to značí na vektor rýchlosti ce (obr.2). [11], [12]
Obr.2 Elektromagnetická vlna [27]
Základné zákony elektromagnetického poľa sú vyjadrené v Maxwellových
rovniciach, preto sa považujú za základné axiómy, takisto ich fyzikálny obsah za
základné prírodné zákony, ktoré nie je potrebné odvodzovať z iných javov. Maxwellove
rovnice sa uvádzajú v dvojakom tvare, v diferenciálnom a integrálnom. Prvé dve
rovnice sú tzv. hlavné Maxwellove rovnice a vyjadrujú väzbu medzi elektrickým
a magnetickým poľom. Ich zápis v diferenciálnom tvare je nasledovný
rot H = J +
rot E = −
∂D
∂t
∂B
∂t
(2.1)
(2.2)
Prvá rovnica je zovšeobecnením Biot-Savartovho zákona a vyjadruje, že
magnetické pole (pole vektora H) je vírové a je sprievodným javom (inou stránkou)
elektrického prúdu. Tento vzťah sa nazýva aj prietokový zákon alebo zákon celkového
prúdu. Druhá rovnica je odvodená z Faradayovho zákona elektrickej indukcie. Riešiť
17
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
problémy elektromagnetického poľa, znamená riešiť sústavu týchto dvoch parciálnych
diferenciálnych rovníc. Ďalšie dve rovnice sú nazývané ako tzv. doplňujúce Maxwellove
rovnice. Umožňujú určiť počiatočné a okrajové podmienky a tým aj jednoznačné
riešenie prvých dvoch rovníc
div B = 0
(2.3)
div D = ρ
(2.4)
Nasledujúce tri rovnice, tzv. materiálové, umožňujú riešiť Maxwellove rovnice v
nehomogénnom prostredí
D = εE
(2.5)
B = μH
(2.6)
J = σE
(2.7)
V Maxwellových rovniciach sa vyskytuje päť fyzikálnych veličín, ktoré majú
vektorový charakter. Sú to:
-
elektrická intenzita E [ V ⋅ m -1 ],
-
magnetická indukcia B [T],
-
elektrická indukcia D [ As ⋅ m -2 ],
-
magnetická intenzita H [ A ⋅ m -1 ],
-
prúdová hustota J [ A ⋅ m -2 ].
Veličina ρ [ As ⋅ m -3 ] vyjadruje objemovú hustotu voľného priestorového náboja.
Táto veličina má skalárny charakter. Dôležitými sú takisto tzv. materiálové konštanty:
-
permitivita prostredia ε
-
permeabilita prostredia μ
-
merná elektrická vodivosť prostredia σ [11], [12]
Elektromagnetické vlny sa môžu šíriť prostredím rôznou vlnovou dĺžkou λ.
Použitý senzor pracuje v oblasti mikrovĺn, o ktorých viac pojednáva podkapitola 2.1.
18
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
2.1 Mikrovlny
Mikrovlnné žiarenie je elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou v rozsahu od
λ=1000mm, čomu podľa vzťahu
f =
odpovedá
frekvencia
f=300MHz
až
ce
(2.8)
λ
po
λ=0,1mm
(f=3000GHz).
V spektre
elektromagnetického žiarenia sa mikrovlnné žiarenie nachádza medzi rádiovým
žiarením a žiarením infračerveným (obr.3).
Obr.3 Spektrum elektromagnetického žiarenia
V tab.1 je rozdelenie frekvenčných pásiem mikrovĺn podľa IEEE. Časť
frekvenčného spektra týkajúca sa mikrovĺn, je tejto tabuľke vyznačená tmavším
pozadím. [12]
Tab.1 Frekvenčné pásma podľa IEEE [12]
Pásmo
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Označenie frekvenčného pásma
ELF (Extreme Low Frequency)
VF (Voice Frequency)
VLF (Very Low Frequency)
LF (Low Frequency)
MF (Medium Frequency)
HF (High Frequency)
VHF (Very High Frequency)
UHF (Ultra High Frequency)
SHF (Super High Frequency)
EHF (Extreme High Frequency)
Decimilimeter
Frekvencia f
30 - 300 Hz
300 - 3000Hz
3 - 30 kHz
30 - 300 kHz
300 - 3000kHz
3 - 30 MHz
30 - 300 MHz
300 -3000MHz
3 - 30GHz
30 - 300 GHz
300 - 3000GHz
Vlnová dĺžka λ
10 - 1 Mm
1 - 0,1 Mm
100 - 10 km
10 -1 km
1 - 0,1 km
100 - 10 m
10 - 1 m
100 - 10 cm
10 - 1 cm
1 - 0,1 cm
1 - 0,1mm
19
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Správanie elektromagnetických vĺn, v ktorých mikrovlny sú časťou vyššieho
frekvenčného spektra, opísal v roku 1863 James Clerk Maxwell v jeho známych
Maxwellových rovniciach. [11], [12]
Pomocou Maxwellových rovníc možno konštruovať rôzne aktívne a pasívne
mikrovlnné prvky, vlnovody, planárne prenosové vedenia, mikrovlnné systémy. Takisto
sa Maxwellove rovnice využívajú pri konštrukcii mikrovlnných senzorov. Takéto
senzory využívajú rôzne nepriame metódy bezkontaktného merania rýchlosti
pohybujúcich sa objektov.
20
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
3. Metódy merania rýchlosti pohybujúcich sa objektov
Meranie rýchlosti pohybujúcich sa objektov možno rozdeliť do dvoch základných
skupín, a to:
a) priame metódy
b) nepriame metódy
3.1 Priame metódy
Pri týchto metódach sa vychádza z definície rýchlosti. Meria sa čas, za ktorý
objekt prejde určitú dráhu. Ak časový úsek, počas ktorého meriame prejdenú dráhu, nie
je nekonečne malý, bude určená veľkosť rýchlosti iba priemerná v danom časovom
úseku, pokiaľ sa nejedná o pohyb rovnomerný. Ak nebude rýchlosť rovnomerná, bude
sa vypočítaná hodnota priemernej rýchlosti tým viac blížiť k hodnote rýchlosti
okamžitej, čím kratší časový úsek pri meraní zvolíme.
V najjednoduchších prípadoch priamočiareho pohybu meriame dráhu pravítkom
a čas stopkami. Pri krivočiarom pohybe sa dráha určuje výpočtom alebo prevedením
oblúku krivky na rovnako dlhú úsečku. Výhodné je tiež dráhu najskôr rozdeliť na
niekoľko úsekov známej (obvykle rovnakej) dĺžky a merať čas, za ktorý prejde
pohybujúce sa teleso jednotlivé úseky. Tým dostaneme niekoľko hodnôt priemerných
rýchlostí, ktoré potom môžeme v závislosti na čase vyznačiť graficky. Pretože meranie
jednými stopkami je v tomto prípade prakticky nemožné, používa sa chronograf, ktorý
zaznamenáva mechanické alebo ešte častejšie elektrické impulzy v závislosti na čase.
Impulzy sú vysielané vhodnými snímačmi, ktoré sú umiestnené na konce jednotlivých
úsekov a vyšlú impulz v okamihu, keď sa teleso pohybuje práve okolo nich.
Do tejto skupiny možno aj zahrnúť meranie rýchlosti filmovaním pozorovaného
objektu. K vyhodnocovaniu filmom zachyteného objektu je potrebné poznať frekvenciu
filmovacej kamery a pomer zmenšenia, ktorého hodnotu ľahko získame, ak zachytíme
na filme súčasne s pozorovaným dejom aj dĺžkové meradlo. Meradlo však musí byť
v tomto prípade umiestnené v rovine kolmej na optickú os, v ktorej sa pohyb deje.
Podobným spôsobom je možno tiež zachytiť rýchly pohyb prístrojom nazývaným
multiflash, ktorý umožňuje zhotoviť niekoľko snímkov pozorovaného pohybu vo veľmi
21
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
krátkych a presne rovnakých časových intervaloch, ktoré je možno nastaviť v rozsahu
1 ⋅10 −6 − 3 ⋅10 −6 s. [7]
3.2 Nepriame metódy
Pri nepriamych metódach tiež existuje viacero rôznych spôsobov merania
rýchlosti. Najrozšírenejší je spôsob založený na tzv. Dopplerovom jave, pomenovanom
po profesorovi pražskej univerzity Christianovi Dopplerovi, ktorý ho prvý pozoroval.
Tento jav sa týka šírenia vĺn z pohyblivého zdroja a vplyvu iných relatívnych pohybov
na ich frekvenciu. [7]
V bežnom živote Dopplerov jav možno pozorovať napríklad pri idúcom
automobile, ktoré akoby zmenilo frekvenciu vydávajúceho zvuku, ak prejde popri
pozorovateľovi. Pozorovateľ pritom vníma rôzne frekvencie, ktoré predstavujú rôzne
zvuky. [25] Daná situácia je zobrazená na obr.4.
Obr.4 Dopplerov jav [27], [28]
Môžu nastať dva prípady:
1. Zdroj sa pohybuje k pozorovateľovi rýchlosťou v:
Počas jednej periódy
T=
1
f
(3.1)
sa priblíži zdroj k pozorovateľovi o vzdialenosť vT, takže každú nasledujúcu periódu
potrebuje signál k dosiahnutiu pozorovateľa čas kratší o
22
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
vT
cz
(3.2)
ako predchádzajúca perióda.
Preto vníma pozorovateľ periódy s frekvenciou
f1 =
cz
1
1 1
=
=
f
v
v
T
cz − v
1−
T− T
cz
cz
(3.3)
Keby sa zdroj vzďaľoval od pozorovateľa tou istou rýchlosťou, čas periód by sa
naopak predĺžil a frekvencia by bola nižšia a to v pomere
cz
cz + v
(3.4)
Tento pomer vyplýva zo vzťahu (3.3) pre zápornú rýchlosť v. Pozorovateľ by teda
vnímal periódy s frekvenciou
f1 =
cz
f
cz + v
(3.5)
2. Zdroj sa pohybuje od pozorovateľa rýchlosťou u:
Zdroj i prostredie je v pokoji, teda pevným bodom prejde
f =
cz
λ
(3.6)
vĺn za sekundu, avšak pohybujúci sa pozorovateľ, voči nemu majú vlny relatívnu
rýchlosť cz-u, prijme len
f2 =
cz − u
λ
=
cz − u
f
cz
(3.7)
vĺn za sekundu. Pozorovaná frekvencia f2 je teda opäť menšia napriek tomu, že sa
vzdialenosť medzi zdrojom a pozorovateľom zväčšuje, a zrejme je to naopak, keď sa
približujú. Keby sa súčasne diali oba pohyby, bola by zdanlivá frekvencia
f12 =
cz
cz cz − u
c −u
f2 =
f = z
f
cz − v
cz − v cz
cz − v
(3.8)
Zo vzťahov (3.3) a (3.7) je zrejmé, že zmena frekvencie nie je rovnaká, ak sa
približuje v prostredí, ktoré je v pokoji, rovnako rýchlo zdroj k pozorovateľovi alebo
naopak, pozorovateľ k zdroju. Frekvencia sa ale podľa (3.8) nemení, ak sa pohybuje
zdroj i pozorovateľ rovnakým smerom aj rýchlosťou (u = v), takže sa ich vzájomná
23
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
vzdialenosť nemení. Potom sa obidvaja vzhľadom k prostrediu pohybujú rovnako
a preto sa nemení ani frekvencia v opačnom prípade, kedy sa pohybuje prostredie
vzhľadom k zdroju i pozorovateľovi, ktorí sú v pokoji. Preto sa v dôsledku vetra nemení
výška tónu zvukových zdrojov, ktoré sú v pokoji.
Dopplerov jav je veľmi dôležitý v akustike a možno ho tiež ľahko pozorovať
u zvukov letiacich projektilov a podobne. Tento jav takisto platí i pre svetlo. [7]
Vzťahy (3.1) až (3.7) platia aj pre rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn ce.
Zariadenia na meranie rýchlosti pohybujúcich sa objektov, ktoré využívajú
Dopplerov jav v oblasti mikrovĺn, sa nazývajú radary. Využíva sa tu práve tá vlastnosť
mikrovĺn, že majú schopnosť odrážať sa od niektorých materiálov. O radaroch bližšie
pojednáva kapitola č.4.
Ďalším z možných nepriamych spôsobov je meranie rýchlosti pomocou laserov.
Zariadenia na meranie rýchlosti využívajúce lasery, patria v súčasnosti medzi
najmodernejšie a najpresnejšie zariadenia. Princíp činnosti spočíva vo vyhodnocovaní
rýchlosti pohybu na základe Dopplerovho javu. Tieto zariadenia môžu pracovať buď
spojito alebo impulzovo.[24], [26] Ako uvádza internetový zdroj [16], nie je známe, že
v súčasnosti sa na Slovensku takéto zariadenia používajú.
Iným spôsobom je meranie rýchlosti pomocou uhlovej rýchlosti (alebo otáčok)
meracieho kolieska známeho obvodu. Táto metóda sa používa na meranie rýchlosti
koľajových vozidiel, a s menšou presnosťou aj pri cestných vozidlách. [7]
24
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
4. Radary pre kontrolu a riadenie dopravy
Radar vysiela do okolia elektromagnetické vlny s určitou frekvenciou
a amplitúdou. Ak takéto vlny narazia na objekt a odrazia sa, získajú o vlastnostiach
tohto objektu niekoľko informácií, ktoré sa dajú využiť pre ďalšie spracovanie. Práve
informácie získané pomocou Dopplerovho javu (kapitola 3.2), sa najčastejšie využívajú
na určovanie rýchlosti určitých objektov, ako sú napríklad pohybujúce sa vozidlá.
V prípade, že sa objekt nepohybuje, potom vlny odrazené od objektu sú vrátené
naspäť ku zdroju žiarenia s tou istou frekvenciou, s ktorou boli vysielané. Avšak, ak sa
objekt pohybuje smerom ku zdroju vlnenia, frekvencia vĺn sa vzhľadom
k pozorovateľovi zvýši. Naopak, ak sa objekt od zdroja vzďaľuje, frekvencia vĺn sa
zníži. Daná situácia je zobrazená na obr.5. [26], [32]
Obr.5 Princíp využitia Dopplerovho javu pri meraní rýchlosti objektov [34]
Zariadenia pre meranie rýchlosti dokážu zachytiť a vyhodnotiť rozdiel dvoch
frekvencií, teda vyslanej a prijatej. Tento rozdiel je priamo úmerný rýchlosti, ktorou sa
meraný objekt pohybuje. Prístroj spracuje informáciu o rýchlosti a zobrazí ju na displeji
alebo na obrazovke v m ⋅ s −1 alebo v km ⋅ h −1 . Ak zariadenia dokážu rozlíšiť, či ide
o kladný resp. záporný rozdiel frekvencií, možno na základe tohto určiť smer pohybu
objektu, tzn., či sa objekt pohybuje smerom k radaru alebo sa od radaru vzďaľuje. [32]
25
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Dosah radaru závisí od niekoľkých faktorov, a to od:
-
výkonu vysielača
-
citlivosti prijímača
-
tvaru vyžarovacej charakteristiky antény
-
vzdialenosti medzi objektom a zdrojom vlnenia
-
pozície objektu vzhľadom k anténe
-
charakteru materiálu odrážajúceho mikrovlny [12]
Pri meraní rýchlosti vozidla voči vozovke je radar možno umiestniť na podvozok
alebo prednú masku vozidla (obr. 6).
Obr.6 Spôsob merania rýchlosti vozidla voči vozovke [12]
Výhodou tohto spôsobu merania je, že rýchlosť je meraná i v prípade šmyku alebo
zablokovania kolies vozidla.
Okrem určovania rýchlosti objektov sa dajú tieto zariadenia využiť napríklad aj pre:
-
sledovanie prevádzky na dopravných úsekoch (možnosť určenia počtu vozidiel,
ich rýchlosť a rozmery),
- aktiváciu brzdového systému v nebezpečnej situácii (tzv. „anti-collision“
radary),
- sledovanie stavu povrchu vozovky (suchá, mokrá, zasnežená a pod.),
- zaistenie bezpečného zaparkovania vozidla,
- udržovanie konštantnej vzdialenosti medzi vozidlami, atď. [12]
Dopplerov jav je spôsobený iba radiálnym pohybom. Transverzálny pohyb tento
jav nespôsobuje. Preto je potrebné pri meraní uvažovať polohu radaru voči vozidlu.
26
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
4.1 Kosínusový faktor
Radary merajú relatívnu rýchlosť vozidiel, ktoré sa približujú resp. vzďaľujú od
radaru. Ak sa vozidlo približuje priamo smerom k radaru, potom relatívna rýchlosť je
rovná skutočnej rýchlosti vozidla. Ak radar meria rýchlosť idúceho vozidla pozdĺž osi
nie kolmej na rovinu vyžarovacej antény, ale pod určitým uhlom α, je relatívna rýchlosť
vozidla vzhľadom na radar menšia ako je skutočná rýchlosť vozidla. Tento jav sa
nazýva „kosínusový faktor“, pretože relatívna rýchlosť je priamo úmerná veľkosti
kosínusu uhla α. [21], [32] Daná situácia je zobrazená na obr.7.
Obr.7 Vplyv uhla α na meranie rýchlosti vozidiel [33]
Medzi skutočnou rýchlosťou vozidla vs a meranou rýchlosťou v platí vzťah
v = v s ⋅ cosα
(4.1)
Závislosť, ktorú vyjadruje vzťah (4.1), je znázornená na obr.8.
27
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
vs [%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
α [°]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Obr.8 Veľkosť skutočnej rýchlosti meranej radarom v závislosti od uhla α [21]
Uhol α je pri meraní rýchlosti pre políciu veľmi dôležitý, pretože merať rýchlosť
vozidla idúceho priamo na radar je nebezpečné. Veľkosť uhla α sa pohybuje v rozmedzí
okolo 15° až 20°, nemala by však prekročiť hodnotu 30°. Tieto zariadenia majú
obvodovo alebo softvérovo zabezpečenú kompenzáciu vplyvu kosínusu uhla α. Preto
prístroj pre správne odmeriavanie rýchlosti vozidiel musí byť umiestnený podľa
pokynov, ktoré udáva výrobca daného zariadenia. [31]
Výber radarového senzora pre našu aplikáciu bol ovplyvnený najmä dostupnosťou
takýchto senzorov na trhu, ďalej formou výstupného signálu a v neposlednom rade aj
jeho cenou. Pre účely diplomovej práce sme sa rozhodli využiť mikrovlnný radarový
senzor HB410, ktorý nám zapožičala Katedra elektrotechniky Trenčianskej univerzity
Alexandra Dubčeka.
28
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
5. Mikrovlnný radarový senzor HB410
Štandardne je senzor k dispozícii aj s obvodom analógového predspracovania
signálu. Na obr. 9 je zobrazený samotný senzor HB410.
Obr.9 Senzor HB410 [15]
Mikrovlnný senzor HB410 pracuje na princípe Dopplerovho javu. Senzor
obsahuje oscilátor, ktorý kmitá na frekvencii 9,35GHz. V oscilátore je ako zdroj tejto
frekvencie použitá Gunnova dióda. Rozdiel frekvencií medzi signálom oscilátora
a signálom odrazeným je nízka frekvencia na výstupe IF senzora, ktorá je úmerná
rýchlosti sledovaného objektu. Obr.10 zobrazuje závislosť Dopplerovej frekvencie fD,
ktorá je funkciou rýchlosti v pohybujúceho sa objektu. Táto závislosť je daná vzťahom
(5.1). [13]
f D [Hz]
3500
3000
y = 17,332x - 9E-13
2500
2000
1500
1000
500
-1
v [kmh ]
0
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Obr. 10 Závislosť Dopplerovej frekvencie fD od rýchlosti v pohybujúceho sa objektu
Z uvedenej závislosti vyplýva, že pre dosiahnutie rozdielovej frekvencie na
výstupe senzora fD=100Hz, sa musí objekt pohybovať rýchlosťou v = 5,769km ⋅ h -1 .
29
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Vysielacia aj prijímacia anténa je realizovaná pomocou vodivých ciest na doske
plošného spoja. Na obr. 11 je bloková schéma zapojenia senzora.
Oscilátor
Zmiešavač
Tx
Anténa
Rx
Anténa
Obr.11 Vnútorné zapojenie senzora HB410 [15]
Senzor môže pracovať v dvoch polohách a to buď v polohe AZIMUT
alebo ELEVÁCIA. Pri polohe AZIMUT (senzor je položený na dlhšiu hranu) je uhol
záberu viac plochý, ale širší. Pri polohe ELEVÁCIA (senzor položený na kratšiu hranu)
je uhol záberu užší a vyšší. Tieto charakteristiky sú znázornené na obr.12.
Obr.12 Vyžarovacie charakteristiky senzora HB410 [15]
Citlivosť indikácie senzora je možné nastaviť od 1m po 10m. Pri nastavení
maximálnej citlivosti stačí vo vzdialenosti 1m pohnúť prstom asi o 2 cm a už je
detekovaný pohyb. Pre uvedený dosah je použitý zosilňovač s veľkým zosilnením,
30
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
nízkym šumom a malým teplotným koeficientom. Pre zosilňovač je použité tienenie,
pretože pri sledovaní veľmi vzdialeného objektu sú zmeny na výstupe v ráde desiatok
μV.
Výhodou senzora je, že funguje aj cez všetky materiály okrem materiálov
vodivých. Funguje aj cez klasickú tehlovú stenu, ale samozrejme s menšou citlivosťou,
pretože každý materiál čiastočne pohlcuje vysielaný i prijímaný signál.
V prílohe 1 je zapojenie obvodu analógového predspracovania signálu. V princípe
výstupný signál zo senzora je potrebné dostatočne zosilniť, vyfiltrovať a následne
indikovať zmenu komparátorom.
Pre elektroniku senzora je použitý štvornásobný operačný zosilňovač (ďalej OZ)
LM324. Prvý zosilňovací stupeň je zapojený ako neinvertujúci a má zosilnenie 101. Pre
dosiahnutie frekvenčnej charakteristiky dolnopriepustného filtra a potlačenie možnosti
rozkmitania je vo spätnej väzbe relatívne veľký kondenzátor C5=2n2F. Malý vstupný
odpor R1 zaisťuje stabilitu celej vyhodnocovacej elektroniky.
Druhý stupeň je zapojený ako invertujúci zosilňovač s nastaviteľným zosilnením
od 1 do 100 pomocou odporového trimra TP1 (zvyšovaním odporu sa zvyšuje citlivosť
senzora a teda jeho dosah). Celkové zosilnenie obidvoch stupňov je 10000. Tretí stupeň
má zosilnenie 11, čo spôsobuje celkové zosilnenie pre signál z výstupu senzora viac než
100000, čo predstavuje už dostatočné zosilnenie signálu pre ďalšie spracovanie.
Kondenzátor C6 slúži na oddelenie jednosmerných zložiek prvého stupňa zosilňovača.
Je v nepolárnom prevedení, pretože nie je zaručené, z ktorej strany bude prevažovať
kladnejšia úroveň.
Pre jednoznačné vyhodnotenie signálu zo senzora je použitý komparátor. Ten
využíva štvrtý OZ v puzdre LM324.
Odpory R13 a R17 tvoria pevne nastavené referenčné napätie komparátora. Po
prekročení tejto úrovne z predzosilňovača sa komparátor preklopí. Z výstupu
komparátora je budený tranzistor T1. Tento tranzistor je v zapojení s otvoreným
kolektorom. Odpor R12 slúži pre získanie hysterézie komparátora. [13], [14]
31
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
5.1 Meranie rýchlosti pomocou senzora HB410 s obvodom analógového
predspracovania signálu
Výstupným signálom z obvodu analógového predspracovania signálu je diskrétny
signál s frekvenciou odpovedajúcou meranej rýchlosti sledovaného objektu. Obr.13
znázorňuje výstupný signál zobrazený osciloskopom, ktorý bol vyvolaný pohybom
ruky.
Obr.13 Tvar signálu na výstupe obvodu analógového predspracovania signálu
Pred samotným návrhom architektúry meracieho zariadenia bolo potrebné
odvodiť, prípadne inak určiť závislosť, pomocou ktorej sa bude „transformovať“ údaj
Dopplerovej frekvencie fD na údaj rýchlosti v. Jednou z možností bolo zmerať závislosť
frekvencie fD=f(v). Následne zo smernice tejto závislosti ďalším výpočtom pomocou
definície priamky y=kx+q určovať odpovedajúcu rýchlosť. Druhou možnosťou bolo
vytvoriť prevodovú tabuľku medzi frekvenciou a rýchlosťou. Pre dostatočnú presnosť
merania by bolo potrebné vytvoriť veľmi rozsiahlu tabuľku. Nevýhodou rozsiahlej
prevodovej tabuľky je, že vznikajú veľké nároky na pamäť, v ktorej by táto tabuľka bola
uložená. Nakoniec sme sa rozhodli využiť vzťah (5.1). Tento vzťah sa mimochodom
nachádza aj vo vyhláške č.210/2000 Z.z. v prílohe č.32 o Cestných radarových
rýchlomeroch, ktoré používa polícia SR.[31] Pomocou tohto vzťahu bude rýchlosť
vypočítavaná z nameranej Dopplerovej frekvencie. Výstupná frekvencia signálu senzora
je
32
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
fD =
2 ⋅ F0 ⋅ v ⋅ cos α
ce
(5.1)
kde
F0 - je frekvencia vysielača mikrovlnného žiarenia
v - je nameraná hodnota rýchlosti vozidla
α - je základný merací uhol, ktorý je vymedzený stredovou osou vyžarovacej
charakteristiky antény a vektorom rýchlosti pohybujúceho sa objektu
ce - je rýchlosť šírenia elektromagnetického vlnenia [30]
Pred samotným aplikovaním vzťahu (5.1) sme zrealizovali meranie, v ktorom sme
daný vzťah využili.
Ako pohybujúci sa objekt sme zvolili model terénneho auta na diaľkové
ovládanie. Keďže pri meraní nešlo o veľké rýchlosti, meranie sme mohli vykonať pri
hodnote uhla α=0°, čo prakticky znamenalo, že vozidlo smerovalo priamo na radar.
Týmto sa zjednodušilo meranie a zvýšila sa presnosť merania. Z goniometrických
funkcií pre uhol α=0° vyplýva, že cos0°=1, čím sa uvedený vzťah (5.1) zjednodušil na
tvar
fD =
2 ⋅ F0 ⋅ v
ce
(5.2)
Vhodnou úpravou sa vzťah (5.2) upravil na vzťah pre výpočet rýchlosti
v=
ce
⋅ fD
2 ⋅ F0
(5.3)
Pri uvažovaní, že rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn ce ako aj frekvencia
vysielacej antény radaru F0 sú konštanty, možno označiť
ce
=k
2 ⋅ F0
(5.4)
v = k ⋅ fD
(5.5)
Potom
33
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Zo vzťahu (5.5) vyplýva, že závislosť rýchlosti v od nameranej Dopplerovej fD
frekvencie na výstupe senzora bude lineárna.
Pri meraní sa vozidlo pohybovalo po dráhe s, ktorá mala definovanú dĺžku. Čas
merania t predstavoval hodnotu, za ktorú prešlo vozidlo celú dráhu. Dosadením týchto
hodnôt do vzťahu (5.6) sme získali priemernú hodnotu rýchlosti v0, ktorou sa vozidlo
pohybovalo.
v0 =
Δs
Δt
(5.6)
Táto hodnota slúžila len ako informatívna hodnota (pretože toto meranie je
nepresné) pre porovnanie s hodnotou rýchlosti v1, ktorú sme získali z nameranej
frekvencie fD podľa vzťahu (5.3). Signál s frekvenciou fD na výstupe senzora sme pri
pohybe vozidla snímali osciloskopom. Meranie sme opakovali 10 krát. Namerané
a vypočítané hodnoty spolu so vzorovým výpočtom sú uvedené v tab.1, v prílohe 4.
To, že hodnoty nameraných časov sa od seba mierne líšili, bolo spôsobené hlavne
tým, že čas pohybu vozidla po dráhe bol čas meraný ručne pomocou stopiek. Namiesto
merania času stopkami by bolo vhodné merať čas s využitím fotoelektrických snímačov,
čím by sa zvýšila presnosť merania. Ďalšie nepresnosti boli spôsobené tým, že meranie
bolo realizované za pomoci viacerých osôb.
Vzhľadom k tomu, že vozidlo sa mohlo pohybovať len jedinou rýchlosťou,
nedokázali sme reálnym meraním overiť lineárnosť vzťahu (5.1).
Signály sa v súčasnosti vo väčšine prípadoch spracovávajú v číslicovej forme. O
číslicovom spracovaní signálov ako aj o obvodoch, do ktorých možno metódy
číslicového spracovania signálov implementovať, bližšie pojednáva kapitola č.6.
34
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
6. Číslicové spracovanie signálov
Charakteristickým znakom číslicového spracovania signálov je prepočet vstupnej
postupnosti vzoriek signálu {x(k)} na výstupnú postupnosť {y(k)}. Takáto sústava sa
označuje ako číslicový systém.
Vo všeobecnosti sa pod signálom rozumie v čase spojitá veličina, ktorá môže byť
jedno alebo viac rozmerná. Číslicové spracovanie signálov si vyžaduje v prvom kroku
konverziu spojitých signálov na číslicové signály (definované na diskrétnej množine).
Preto k systému číslicovému spracovania prináležia aj analógovo číslicový (analógovo
digitálny) prevodník (ďalej len A/D prevodník) a pre spätný prevod číslicovo analógový
prevodník (ďalej len D/A prevodník). [8], [23]
Systém číslicového spracovania signálov možno zobraziť ako blokovú schému na
obr.14.
vstupná
diskrétna
postupnosť
vstupný
spojitý
signál
x(t)
x(k)
výstupná
diskrétna
postupnosť
ČÍSLICOVÝ
SYSTÉM
A/D prevod
výstupný
spojitý
signál
y(t)
y(k)
D/A prevod
Obr.14 Bloková schéma systému číslicového spracovania signálov [8]
O A/D prevodníkoch pojednáva nasledovná podkapitola 6.1. Podkapitola 6.2
pojednáva o obvodoch FPGA ako o obvodoch číslicového spracovania signálov. D/A
prevodníky v navrhnutom systéme nevyužívame, preto sa o nich bližšie nezmieňujeme.
6.1 Analógovo číslicové prevodníky
A/D
prevodníky
tvoria
rozhranie
moderných
elekronických
systémov
využívajúcich číslicové spracovanie signálov získaných z reálneho prostredia
reprezentovaného spojitým charakterom signálov. Ich presnosť určuje hodnovernosť
transformácie medzi číslicovou a analógovou reprezentáciou toho istého signálu.
Vstupný analógový signál x(tn ) privedený na vstup A/D prevodníka, je
vzorkovaný v časových okamihoch t n = n ⋅ Tvz . Výstupný číslicový údaj je vyjadrený N
35
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
bitmi, kde počet bitov N určuje rozlíšenie prevodníka. Číslicový výstup je
predstavovaný buď paralelnou bránou alebo jednobitovou sériovou bránou.
Jedným z dôležitých parametrov A/D prevodníka je vzorkovanie a vzorkovacia
frekvencia. Proces vzorkovania transformuje časovo spojitý signál na časovo diskrétnu
postupnosť v úrovni spojitých vzoriek. Väčšinou ide o proces vzorkovania pomocou
ekvidištantných časových intervalov s periódou Tvz a vzorkovacou frekvenciou
f vz =
1
Tvz
(6.1)
O tom, ako je potrebné vzorkovať časovo spojitý signál, aby sa nestratil
informačný obsah nesený týmto signálom, hovorí Shannonova veta, resp. vzorkovací
teorém. [8]
6.1.1 Shannonova veta
Ak x(t) je spojitý signál v čase s maximálnou nenulovou frekvenčnou zložkou fmax,
potom ho je možné dokonale popísať postupnosťou vzoriek {x(k)}odobratých v
ekvidištantných časových okamihoch s frekvenciou [8]
f vz > 2 ⋅ f max
(6.2)
V navrhnutom systéme sme použili A/D prevodník MCP3202 od firmy
Microchip.
6.1.2 A/D prevodník MCP3202
MCP3202 je 12 bitový aproximačný A/D prevodník vyrobený technológiou
CMOS. Na obr. 15 je bloková schéma vnútorného zapojenia A/D prevodníka. Tento
prevodník obsahuje dva vstupy analógového signálu – kanál 0 (CH0) a kanál 1 (CH1).
A/D prevodník môže pracovať v dvoch módoch. Prvý mód je tzv. diferenčný mód,
druhý je single dual mód. V single dual móde je možné využívať jednotlivé kanály
nezávisle na sebe. Výstupné dáta v podobe 12 bitových vzoriek sú na výstupe
jednobitovej sériovej brány A/D prevodníka označenej ako DOUT.
Prevodník komunikuje s okolím prostredníctvom sériového rozhrania, ktoré je
kompatibilné s rozhraním SPI. Napájacie napätie prevodníka je v rozsahu od 2,7 V po
5V. [30]
36
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr. 15 Bloková schéma A/D prevodníka [30]
Po prevode analógového signálu na číslicový je potrebné zvoliť obvody pre ďalšie
spracovanie signálu. Prvou alternatívou je použiť mikroprocesor. V tomto prípade sme
uvažovali použiť mikroprocesor typu Atmel na báze jadra 8051 alebo typu RISC – PIC
od firmy Microchip. Pre nízku rýchlosť spracovania signálov a zložitú realizáciu FIR
filtra, pri ktorej by sme nevystačili so samotným procesorom, sme riešenie
s mikroprocesorom vylúčili. Ďalším variantom je možnosť využiť digitálne signálové
procesory tzv. DSP ako aj možnosť realizovať systém spracovania signálov využitím
programovateľných polí - FPGA. Z dôvodov vyššej flexibility pre prípadné rozšírenie
návrhu sme volili implementáciu systému v FPGA. Implementácia do FPGA umožňuje
rýchlu verifikáciu navrhovaného algoritmu. Obvody FPGA predstavujú platformu, ktorá
ponúka realizáciu oveľa zložitejších návrhov ako je náš navrhnutý systém.
Na základe predchádzajúcej analýzy sme sa rozhodli pre aplikáciu navrhovaného
rýchlomera využiť obvody FPGA.
6.2 FPGA (Field Programmable Gate Array)
FPGA je integrovaný obvod, ktorý obsahuje od 64 nad 10000 identických
logických programovateľných buniek. Typická štruktúra FPGA obvodu je na obr.16.
37
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr.16 Typická štruktúra obvodu FPGA
Bloky označené ako IOB (Input/Output Block) predstavujú vstupno-výstupné
programovateľné bunky. Tieto bunky umožňujú naprogramovať jednotlivé piny do
rôznych módov. Tieto bunky obvykle obsahujú register, budič, multiplexer a ochranné
obvody.
Bloky LB (Logic Block) sú programovateľné logické bunky, ktoré umožňujú
realizovať jednoduché logické funkcie. Napríklad u obvodu Spartan III každá takáto
bunka môže realizovať ľubovoľnú funkciu (napr. AND, OR, XOR, INVERT)
vstupných premenných, komplexné kombinačné funkcie ako sú dekódery alebo
jednoduché matematické funkcie. Tieto bunky predstavujú jadro FPGA obvodu. Bloky
môžu byť variabilne prepojené programovateľnou prepojovacou sieťou. Táto
prepojovacia sieť má rôznu zložitosť, ktorá je závislá od konkrétneho FPGA obvodu.
Výrobcovia týchto obvodov integrujú do FPGA i ďalšie prvky. Väčšina moderných
FPGA obsahuje niekoľko blokov rýchlej statickej pamäti RAM. Veľmi často obvody
FPGA obsahujú PLL (Phase Locked Loop) alebo DLL (Delay Locked Loop) pre
obnovenie charakteristík hodinového signálu, prípadne pre násobenie alebo delenie jeho
frekvencie. [17], [35]
Kapitola 6.2.1 pojednáva o FIR filtroch, ako o zariadeniach používaných pri
číslicovom spracovaní signálu, ktoré je možné implementovať v FPGA.
38
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
6.2.1 FIR filtre
FIR filtre sú číslicové filtre, ktoré nemajú ekvivalent v analógovej oblasti
spracovania signálov. Filtrujú digitálny signál v podobe postupnosti vzoriek po prevode
analógového signálu A/D prevodníkom. Filtrácia sa môže prevádzať softvérovo, teda
vykonávaním programu alebo hardvérovo. FIR filtre sú filtre s tzv. konečnou
impulzovou odozvou (konečný počet nenulových výstupných hodnôt po vybudení filtra
jednotkovým impulzom). Na ich hardvérovú realizáciu sa používajú procesory,
hradlové polia FPGA, prípadne obvody ASIC.
Číslicová filtrácia signálov má široké uplatnenie a možno ju využiť napríklad pre
úpravu frekvenčného spektra hudby, pre zníženie či elimináciu nežiaduceho rušenia
obsiahnutého v signáloch pre meranie a reguláciu.
Medzi výhody patrí jednoduchá štruktúra, jednoduchý návrh a testovanie už
realizovaných filtrov.
Medzi nevýhody patrí obvykle vysoký rád filtra, teda veľký počet koeficientov
filtra (rozsiahla štruktúra filtra), časová náročnosť výpočtov pre veľké rády filtrov,
obmedzené nastavenie útlmu nepriepustného pásma.
FIR filtre patria medzi tzv. dopredné filtre, ktoré obsahujú iba dopredné väzby (nie
je tu spätná väzba). Tým je zaistená odolnosť filtra proti rozkmitaniu a veľká robustnosť
pre implementáciu. Na obr.17 je znázornená štruktúra FIR filtra.
Obr.17 Štruktúra FIR filtra [18]
FIR filter možno popísať vzťahom
N
y(k ) = ∑ a (n ) ⋅ x (k - n )
(6.3)
n =0
Pri návrhu filtra je cieľom nájsť koeficienty filtra a(n). Voľbou rádu filtra
a koeficientmi sa určuje strmosť prechodu prenosovej amplitúdovo frekvenčnej
charakteristiky medzi priepustným a nepriepustným pásmom. Voľbou medznej
39
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
frekvencie priepustného pásma sa určuje frekvencia, na ktorej má byť pokles prenosu
filtra -3dB. [18], [29]
FPGA dávajú návrhárovi voľnosť pri tvorbe a úpravách návrhu systému.
Programovateľné polia sú preto široko používané na vývoj systémov. Implementácia do
FPGA je v porovnaní s vývojom obvodov ASIC jednoduchšia a lacnejšia. Jedným
z najvýznamnejších výrobcov FPGA obvodov je firma Xilinx. Táto firma takisto
poskytuje vývojové prostriedky pre prácu s nimi vyvinutými FPGA obvodmi. Niektoré
tieto nástroje sú voľne dostupné a postačujú aj pre návrh komplexných číslicových
obvodov. Vývojové prostriedky dovoľujú vytvárať knižničné moduly a tým spätne
používať už vytvorené funkčné bloky. Samotný vývoj a jeho výsledky sú tak ľahko
modifikovateľné, môžu byť ďalej optimalizované a sú použiteľné pri ďalších
návrhoch.[8] Jedným z vývojových prostriedkov je vývojové prostredie Xilinx ISE.
6.3 Vývojové prostredie Xilinx ISE WebPACK
Základným oknom vývojového prostredia Xilinx ISE WebPACK je Project
Navigator (obr.18).
Obr.18 Základné okno prostredia Xilinx ISE 7.1i WebPack [22]
40
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Toto okno je rozdelené do štyroch základných častí. Oblasť zdrojových súborov
hierarchicky zobrazuje bloky použité v danom projekte. Oblasť procesov zobrazuje
dostupné procesy ako sú syntéza, implementácia návrhu a proces vygenerovania
programovacieho súboru. Z tohto okna je možné aj spúšťanie simulácií jednotlivých
blokov v prostredí ModelSim XE, ktorý sme pri simuláciách používali. V okne pre
oblasť záznamov sa zobrazujú všetky stavové hlásenia, chyby a upozornenia. Toto okno
je aktualizované v priebehu vykonávania všetkých činností v projekte. Posledné okno,
pracovná oblasť, dovoľuje okrem iného vytvárať návrhy číslicových systémov pomocou
jazykov VHDL a Verilog kódu.
6.4 Jazyk VHDL
Skratka VHDL znamená VHSIC Hardware Description Language, pričom
VHSIC je skratka pre Very High Speed Integrated Circuit. Jazyk VHDL patrí spolu s
jazykom Verilog medzi najrozšírenejšie jazyky používané pri modelovaní číslicových
zariadení. Tento jazyk podporuje množstvo komerčných aj nekomerčných vývojových
nástrojov, ktoré sú prístupné na rôznych operačných platformách.
Jazyk VHDL vznikol v roku 1981 na požiadavku amerického ministerstva obrany.
Požiadavkou bolo vyvinutie jazyka so širokými možnosťami opisu, ktorý bude
interpretovaný súhlasne rôznymi simulátormi, a bude nezávislý na technológii a
návrhovej metodike. V rokoch 1993 a. 1995 pracovalo na špecifikácii viacero firiem
ako napríklad Intermetrics, IBM, Texas Instruments v rámci projektu VHSIC. Prvá
norma bola formulovaná už v roku 1986, ale prvá rozšírená norma IEEE 1076-1987 sa
objavila o rok neskôr.
Jazyk VHDL sa používa na modelovanie, verifikáciu, syntézu a dokumentáciu
číslicových obvodov. VHDL je technologicky nezávislý jazyk, ktorý sa nespája s
konkrétnou technológiou.
VHDL podporuje väčšiu časť z úrovní abstrakcie, pomocou ktorých je možné
opísať funkciu číslicového zariadenia. Základnými podporovanými úrovňami sú úroveň
logických vzťahov, úroveň medziregistrových prenosov a funkčná úroveň. Návrhár
môže systém opísať dvoma základnými prístupmi, a to opisom správania a opisom
štruktúry. Opis správania pripomína klasické programovanie softvérových aplikácií a
umožňuje opis systému na funkčnej úrovni. Základným stavebným prvkom pre opis
41
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
správania je proces, v ktorom sa všetky príkazy vykonávajú sekvenčne. Jazyk umožňuje
pri tomto spôsobe opisu použiť klasické konštrukcie ako if-then-else, switch-case, for a
iné. Opis štruktúry je založený na popise prepojenia základných logických členov
a rôznych podobvodov. Prepojenia daných častí sú realizované pomocou signálov, ktoré
predstavujú fyzické cesty medzi logickými členmi.
Opis systému pomocou funkčnej úrovne je výhodný ak návrhára nezaujímajú
detaily implementácie. Syntéza z funkčnej úrovne je komplikovanejšia. Pre potrebu
syntézy obvodu je vhodná úroveň medziregistrových prenosov. Z tejto úrovne je možný
automatický prechod do úrovne logických hradiel. Postup návrhu integrovaného obvodu
vo VHDL je znázornený na obr.18. [9]
Východisková špecifikácia,
rozdelenie do blokov- zjemňovanie
Popis blokov
vo VHDL
Testovací opis
vo VHDL
Simulácia,
verifikácia
Syntéza
Simulácia,
verifikácia
Implementácia FPGA
Obr.19 Postup návrhu číslicového systému vo VHDL [9]
42
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Jazyk VHDL stavia na troch nezávislých modeloch:
• model štruktúry - model je založený na princípe opisu funkcie číslicového obvodu
prostredníctvom jeho prvkov a vzájomného prepojenia týchto prvkov
• model správania sa - model využíva vzťah medzi výstupnými a vstupnými hodnotami
číslicového obvodu, pričom nešpecifikuje štruktúru obvodu
• model času - ide o časovacie pravidlá, ktoré špecifikujú správanie systému v spojitom
čase
Výhodami jazyka VHDL sú:
• podpora viacerých úrovní abstrakcie - možnosť prelínania opisu na rôznych úrovniach
abstrakcie, kombinácia opisu na úrovni správania s opisom na úrovni logických hradiel
• možnosť hierarchického návrhu systému - podpora viacerých blokov a ich vzájomné
previazanie, podpora balíkov a pod.
• možnosť simulácie každého bloku systému zvlášť - možná simulácia výlučne jedného
bloku (entity), nezávisle od zostávajúceho systému
• verifikácia špecifikácie - špecifikáciu systému môžeme verifikovať simuláciou
• oddelená funkcia od implementácie - pri použití vyšších úrovní opisu je implementácia
systému závislá na použitom nástroji pre syntézu
• vyššia produktivita - možnosť opätovného použitia už navrhnutých obvodov
• technologická a nástrojová nezávislosť - jazyk VHDL je štandardizovaný, takže by
mal byť implementovaný všetkými nástrojmi rovnako
• široká podpora - jazyk VHDL je široko používaný a rozšírený, a preto ho podporuje
väčšina vývojových nástrojov
• spojitý čas - časovanie v opise VHDL je možné v spojitom čase
Nevýhodami jazyka VHDL sú:
• zložitý spôsob opisu - široké opisné možnosti jazyka komplikujú syntax a sémantiku
jazyka
• nevhodný pre systémovú úroveň - oproti jazyku HSSL je nevhodný pre opis systému
na systémovej úrovni, aj keď umožňuje čiastočné riešenia na tejto úrovni
43
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Aj keď jazyk VHDL bol prvotne určený pre návrh číslicových systémov v
súčasnej dobe existuje rozšírený štandard, ktorý umožňuje modelovanie aj analógových
obvodov. Ide o štandard IEEE 1076.1-1999-IEEE Standard VHDL Analog and MixedSignal Extensions, skrátene označovaný ako VHDL-AMS. [9]
44
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
7. Návrh architektúry spracovania signálu zo senzora HB410
7.1 Návrh architektúry spracovania signálu z HB410 s obvodom analógového
predspracovania signálu
Pri návrhu radarového rýchlomera sme sa v prvom prípade rozhodli použiť senzor
spolu s obvodom analógového predspracovania signálu. Tento obvod upravuje výstupný
signál senzora na pulzný signál. Spracovávať sa bude signál z výstupu tohto obvodu.
Dôvod bol taký, že návrh pre spracovanie pulzného signálu je podstatne jednoduchší
oproti spracovaniu analógového signálu, ktorý navyše v sebe nesie určitý neželaný šum.
Bloková schéma radarového rýchlomera je znázornená na obr.20. Táto schéma je
zostavená podľa schémy na obr.1.
HB410
+
obvod analógového
predspracovania signálu
FPGA
PC
Obr.20 Bloková schéma prvého návrhu radarového rýchlomera
Úlohou obvodu FPGA je zmerať hodnotu frekvencie Dopplerovho signálu, túto
vhodne upraviť a následne poslať cez sériový port UART do PC, kde bude prepočítaná
na údaj rýchlosti podľa vzťahu (5.1). Blok FPGA v tomto prípade predstavuje obvod
FPGA typu XC3S400 - 4PQ208CES od firmy Xilinx. Tento obvod je súčasťou
vývojovej dosky Memec Spartan-3 LC (príloha 5). Celý návrh je vytvorený v prostredí
ISE 7.1i WebPACK, popísaný v jazyku VHDL.
Pred samotným návrhom radarového rýchlomera bolo potrebné ešte navrhnúť
dosku plošného spoja programátora JTAG (príloha 7). Prostredníctvom JTAG je
programovaný obvod FPGA na vývojovej doske. Tento programátor je pripojený na
paralelný port PC.
Na obr.21 je bloková schéma bloku FPGA, v ktorom je implementovaný výsledný
návrh architektúry s názvom Merač
45
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Merač
pulses_uart
frequency
Testovacia
frekvencia
Doppler_pulses
MUX
Rising_edge
Čítač_24bit
uart_24bit
UART
Obr. 21 Bloková schéma bloku FPGA prvého návrhu radarového rýchlomera
Vstupom do navrhnutej architektúry pulses_uart môže byť buď signál z obvodu
analógového predspracovania signálu alebo signál s testovacou frekvenciou fT.
Prepínanie vstupných signálov je možné pomocou multiplexora, ktorý môže užívateľ
ovládať jedným z prepínačov umiestnených na vývojovej doske. Ak je prepínač
v polohe „0“, je výstupom z multiplexora signál z obvodu analógového predspracovania
signálu. V polohe „1“ je výstupom multiplexora signál s testovacou frekvenciou.
Testovací signál má definovanú frekvenciu fT=100Hz, ktorá slúži na overenie, či obvod
FPGA správne komunikuje s PC.
7.1.1 Návrh bloku merania frekvencie
Ako prvú časť sme začali riešiť meranie frekvencie. Na túto úlohu sme navrhli
blok s názvom Doppler_pulses. Tento blok merania obsahuje bloky rising_edge a
čítač_24bit.
Úlohou bloku rising_edge je detekovať nábehovú hranu privedeného pulzného
signálu. Na to sú použité dva registre názvom s_DELAY a s_DELAY1 zapojené do
série, ktoré zabezpečujú spoľahlivú detekciu nábehovej hrany signálu. Na obr.22 je
pravdivostná tabuľka logickej funkcie rising_edge, podľa ktorej sa vyhodnocuje
nábehová hrana a na obr.23 je bloková schéma, ktorá realizuje túto funkciu.
s_DELAY s_DELAY1
0
0
0
1
1
0
1
1
Y
0
0
1
0
Obr.22 Pravdivostná tabuľka logickej funkcie rising_edge
46
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr.23 Bloková schéma funkcie pre detekciu nábehovej hrany
Po detekcii nábehovej hrany sa meranie frekvencie realizuje prostredníctvom
merania periódy privádzaného signálu. V okamihu detekcie nábehovej hrany sa
odovzdá aktuálna hodnota v počítadle s_Cnt do registra Data_output_o, počítadlo sa
vynuluje a začne sa inkrementovať s frekvenciou hodinových impulzov. Frekvencia
hodinových pulzov je fclk=50MHz, čo predstavuje periódu jedného hodinového impulzu
Tclk=20ns. Počítadlo sa ikrementuje až po dobu príchodu ďalšej nábehovej hrany
signálu. Súčasne sa v okamihu detekcie nábehovej hrany na výstupe Data_output_o
bloku Doppler_pulses nachádzajú platné dáta, teda údaj periódy meraného signálu. Celý
cyklus sa opakuje s každým príchodom ďalšej nábehovej hrany meraného signálu. Na
začiatku merania, resp. v stave po reštarte systému, je hodnota prvých platných dát
závislá od doby trvania po prvú nábehovú hranu signálu.
7.1.1.1 Rozsah merania frekvencie
Hranice rozsahu merania
frekvencie resp. rýchlosti sú závislé od viacerých
parametrov. Najdôležitejším parametrom je ale veľkosť registra s_Cnt, ktorý
ovplyvňuje najmä dolnú hranicu meranej frekvencie. Veľkosť registra s_Cnt
sme
zvolili 24 bitov. Maximálna hodnota, ktorú je schopný register s_Cnt v sebe uchovať, je
hodnota 2 24 =16 777216 hodinových impulzov. Pri perióde jedného hodinového
impulzu Tclk=20 ns, možno odmerať maximálnu dĺžku periódy meranej frekvencie
TD = Tclk ⋅ 2 24 = 20 ⋅10 −9 ⋅ 2 24 = 0,3355s
(7.1)
Minimálna frekvencia meraného signálu je potom
fD =
1
1
=
= 2,981Hz
TD 0,3355
(7.2)
47
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Z tejto hodnoty frekvencie podľa vzťahu (7.2) je minimálna rýchlosť, ktorú bude
daný systém schopný odmerať
v min =
ce
2,997 ⋅ 10 8
fD =
⋅ 2,981 = 0,0478m ⋅ s -1
9
2 ⋅ F0
2 ⋅ 9,35 ⋅ 10
(7.3)
Z uvedeného vyplýva, že čím viacbitový je register s_Cnt, tým je možno merať
menšie rýchlosti.
Hranica maximálnej rýchlosti nezávisí od veľkosti registra s_Cnt, ale iba od
frekvencie hodinového signálu. Maximálna rýchlosť, ktorú dokáže systém teoreticky
zmerať je v prípade, ak hodnota v registri s_Cnt=1, čo predstavuje frekvenciu
hodinového signálu fclk=50MHz. Takéto hodnoty frekvencie, v prepočte na rýchlosť,
znamenajú hodnoty vysoko prekračujúce rýchlosť šírenia sa zvuku vo vzduchu. Z tohto
vyplýva, že daný systém dokáže merať rýchlosti reálnych objektov s dostatočnou
rezervou.
7.1.2 Návrh komunikačného bloku
Ďalšou úlohou bolo posielanie nameraných dát
po sériovej linke do PC.
Namerané dáta sú pripravené pre ďalšie spracovanie v okamihu, keď na výstupe REQ_o
bloku Doppler_pulses je vygenerovaný impulz. Ďalším spracovaním sa v tomto prípade
rozumie úprava dát na taký tvar, ktorý bude v súlade s pravidlami komunikačného
protokolu sériového rozhrania RS232. Na túto funkciu sme navrhli blok s názvom
uart_24bit.
Správnu funkciu zabezpečujú tri procesy, ktoré tento blok obsahuje. Prvým
procesom je proces s názvom enable, ktorý pracuje ako generátor impulzov. Daný
proces obsahuje register s názvom s_Cnt, ktorý sa inkrementuje frekvenciou
hodinových impulzov. Pri hodnote s_Cnt=20832 je vygenerovaný impulz s_EN s šírkou
jedného hodinového impulzu, register s_Cnt sa následne vynuluje a celý proces sa
opakuje. Týmto spôsobom sú generované impulzy s frekvenciou 2400Hz. Od tejto
frekvencie je odvodená rýchlosť posielania dát po sériovej linke. Takáto rýchlosť je
dostatočná na to, aby boli každé dáta zobrazené na monitore PC v reálnom čase.
Druhý v poradí je proces s názvom prepare_data. Tento proces má za úlohu
rozdeliť namerané dáta do štyroch registrov s_DATA00, s_DATA01, s_DATA_10
48
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
a s_DATA11, každý s obsahom dát podľa obr. 24. Jednotlivé registre majú veľkosť
1byte.
Obr.24 Usporiadanie jednotlivých bitov informácie v príslušných registroch
Tento proces obsahuje ešte register s názvom s_first, ktorého hodnota hovorí o
tom, ktorý byte sa v aktuálnom čase vysiela. Tento register je po reštarte nastavený na
hodnotu 00. Ako prvý sa vysiela obsah dát v registri s_DATA00.
S príchodom platných dát na vstup bloku uart_24bit sa postupne zvyšuje hodnota
registra s_first o 1 a pri každom zvýšení sa do registra s_DATA00 priraďujú dáta
z registrov od 00 až po 11. Po každom priradení dát sa generuje impulz s_REQ, ktorý
hovorí o požiadavke vysielať pripravený byte. Po hodnote s_first=11 sa opäť s_first
nastaví na hodnotu 00, celý cyklus začína odznova. Týmto je zabezpečené, že budú
postupne vyslané všetky štyri byty informácie.
Tretí proces má názov state_machine. Informácia aktuálne posielaného bytu sa
posiela do PC po jednotlivých bitoch. Tento proces zastáva práve túto funkciu. Aby
bolo možné rozlíšiť jednotlivé byty od seba, t.j. začiatok a koniec bytu, posiela sa pred
každým bytom bit s úrovňou log1, nazývaný START bit a po poslednom bite sa posiela
tzv. STOP bit s úrovňou log0. Jednotlivé bity sa posielajú vždy z registra s_DATA00,
preto sa v procese prepare_data vždy postupne priraďujú jednotlivé byty do tohto
registra. Slovo, v ktorom sa vysiela informácia jedného bytu má tvar:
START | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 | STOP|, čo predstavuje veľkosť 10bitov.
Jednotlivé bity sa vysielajú iba v prípade, keď je signál s_EN=1, zároveň signál
s_REQ je nastavený na log1 a daný proces sa nachádza v stave STOP. Do tohto stavu
sa proces dostáva po odvysielaní STOP bitu posledného bytu informácie. Po každom
49
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
návrhu bloku sme jeho správnu funkciu overovali simuláciou pomocou simulačného
prostredia ModelSim XE. Pre spustenie simulácie bolo potrebné vytvoriť testovací
návrh tzv. Test Bench, ktorý dokázal simulovať signály potrebné pre funkciu bloku.
Týmto spôsobom sme overili funkciu bloku ešte pred implementáciou do FPGA.
Výhodou simulácie bolo, že sme mohli sledovať funkciu počas návrhu bloku, na
základe tejto simulácie priebežne ladiť funkciu a odstraňovať vzniknuté chyby bloku
a v neposlednom čase sme šetrili čas, ktorý by nám zabral proces implementácie do
FPGA. Na obr. 25 sa nachádza simulácia výsledného návrhu, ktorá simuluje meranie
testovacej frekvencie fT.
Obr. 25 Výsledná simulácia prvej navrhnutej architektúry
Po vytvorení bloku uart_24bit sme chceli čo najjednoduchším spôsobom overiť
jeho správnu funkciu v reálnom obvode. Tento návrh sme implementovali do FPGA.
50
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Test spočíval v tom, že do každého z registrov s_DATA bol vložený jeden znak
z ASCII tabuľky a na strane počítača sme očakávali tieto štyri ASCII znaky ako znaky
abecedy. Pre príjem a zobrazovanie daných dát sme použil nástroj Hyper Terminal,
ktorý je štandardnou súčasťou operačného systému Windows_XP.
V prípade príjmu nameraných údajov ale tento nástroj nemožno využiť, preto bolo
potrebné zvoliť iný spôsob prijímania údajov.
7.1.3 Vizualizačný softvér radarového rýchlomera
Pre príjem a zobrazovanie nameraných údajov sme zvolili programovací jazyk
Visual Basic. [6] V tomto jazyku sme vytvorili program, ktorý zabezpečuje opätovné
poskladanie jednotlivých bytov do jedného 24 bitového slova, jeho prevod na údaj
frekvencie a na údaj nameranej rýchlosti a zobrazenie týchto údajov.
Dáta sú prijaté do PC v tvare podľa obr.26.
Obr.26 Tvar dát prijatých v PC
Z obr.26 je vidno, že bity hlavičky sa teraz nachádzajú na mieste dvoch najvyšších
bitov bytu. Podľa kombinácie bitov hlavičky záleží, ako budú jednotlivé byty
poskladané do jedného 24 bitového slova. Každý prijatý byte sa vkladá do premennej
s názvom Part_0. Tu nastáva test bitov hlavičky pre zistenie kombinácie týchto bitov.
Po tomto teste sú bity hlavičky odstránené. Podľa kombinácie hlavičkových bitov sú
príslušné bity informácie posúvané a vkladané do premenných podľa obr.27
51
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr. 27 Usporiadanie jednotlivých bitov v daných premenných
Súčet hodnôt premenných Part3+ Part2+ Part1+ Part0 potom predstavuje výslednú
odmeranú hodnotu periódy (obr.28). Táto hodnota je uložená v premennej IntVal.
Obr.28 Výsledný tvar informácie uloženej v premennej IntVal
Hodnota z premennej IntVal sa transformuje na údaj nameranej frekvencie podľa
vzťahu (7.4) a táto hodnota je uložená do premennej RealVal.
RealVal =
f clk
Part_3 + Part_2 + Part_1 + Part_0
(7.4)
Z takto získaného údaja frekvencie sa dosadením do vzťahu (5.1) získava údaj
nameranej rýchlosti. Na monitore PC sa zobrazuje hodnota frekvencie fD, hodnota
rýchlosti v, maximálna a minimálna hodnota frekvencie počas merania. Na obr.29 je
pracovné okno radarového rýchlomera. Údaj Max frequency predstavuje maximálnu
nameranú frekvenciu počas merania. Údaj Min frequency predstavuje analogicky
hodnotu minimálnej nameranej frekvencie počas merania. Rýchlosť sa zobrazuje
v jednotkách m/s aj km/h. Po meraní zostáva v okne zobrazená posledná nameraná
hodnota. Hodnoty počas celého merania je možné zapísať do súboru v textovom tvare
a uložiť na disk PC, kde sú neskôr kedykoľvek k dispozícii.
52
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr. 29 Pracovné okno radarového rýchlomera
7.2 Návrh architektúry spracovania signálu z HB410 bez obvodu analógového
predspracovania signálu
Po navrhnutí a overení správnej funkcie prvého návrhu sme uvažovali vytvoriť
návrh pre spracovanie signálu priamo z výstupu senzora. Pre spracovanie signálu bolo
možné použiť viacero spôsobov.
Jednou z možných metód bolo využiť Rýchlu Furiérovu transformáciu (ďalej len
FFT) na spracovanie sekvencií výstupu zo senzora a na základe vyhodnotenia maxima
jej výsledku (spektra vyhodnocovanej frekvencie) určiť frekvenciu meranej sekvencie.
Táto metóda sa veľmi často používa pri číslicovom spracovaní signálov a takisto ju
možno implementovať do obvodov FPGA. V porovnaní s metódou, ktorá nahradzuje
analógový filter digitálnym FIR filtrom a analógový komparátor digitálnym, ktorú sme
použili, je metóda FFT zložitejšia. [19]
53
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
V neposlednom rade bolo možné použiť aj tzv. korelátor. Jeho nevýhodou je však
väčšia zložitosť realizácie korelačnej funkcie oproti FIR filtru. [20]
Namiesto FIR filtra bolo možné použiť na filtrovanie signálu aj tzv. rekurzívny
filter. Je to filter s nekonečnou impulzovou odozvou (ďalej len IIR). Výhodou IIR
oproti FIR filtru je, že na dosiahnutie ostrej selektivity postačuje nižší rád filtra.
Nevýhodou IIR je, že filtre tohto typu nie sú vždy stabilné. Pre uvedenú nevýhodu sme
radšej IIR filter nezvolili. [29]
Rozhodli sme sa, že obvod analógového predspracovania signálu budeme riešiť
hardvérovo priamo v obvode FPGA. Na obr.30 je druhý návrh radarového rýchlomeru.
FPGA
A/D
HB410
PC
Obr.30 Bloková schéma druhého návrhu radarového rýchlomera
Na prevod signálu do číslicového tvaru sme použili A/D prevodník MCP3202,
ktorého funkcia je popísaná v kapitole č.6.1.2. Prevodník vzorkuje analógový signál so
vzorkovacou frekvenciou fvz=44kHz. Táto frekvencia sa používa pri vzorkovaní audio
signálu a jej hodnota je zvolená podľa Shannonovej vety (kapitola 6.1.2). Dáta
v číslicovom tvare sú na sériovom výstupe prevodníka s rozsahom 12 bitov. Dáta
v takomto tvare vstupujú do FPGA
Na obr.31 je bloková schéma bloku FPGA, v ktorom je implementovaný výsledný
návrh architektúry s názvom Analog_measure.
Analog_measure
FIR_filter
mcp_3202
convert serial
data to
paralel
frequency
Testovacia
frekvencia
MUX
RAM
RAM pamäť
ALU
comparator
uart_24bit
Komparátor
UART
ROM pamäť
ROM
Obr.31 Bloková schéma bloku FPGA druhého návrhu radarového rýchlomera
54
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
7.2.1 Návrh bloku pre prevod sériových dát z A/D prevodníka na paralelné dáta
Dáta z výstupu A/D prevodníka spracováva obvod FPGA najskôr v bloku
mcp3202_if. Tento blok zároveň generuje i riadiace signály pre A/D prevodník. Sú to
napr. hodinový signál fmcp3202_if , signál CS.
Proces s názvom enable pracuje ako delička frekvencie hodinového signálu fclk.
Proces obsahuje počítadlo s_Cnt, ktoré je inkrementované s frekvenciou 50MHz. Pri
hodnote počítadla s_Cnt=31, je generovaný impulz s_EN s šírkou jedného hodinového
impulzu. Tieto impulzy majú frekvenciu 1,6MHz. Z frekvencie tohto signálu sa získava
hodinový signál A/D prevodníka s frekvenciou fclk_mcp3202=792kHz.
Hodinový signál A/D prevodníka je odvodený od vzorkovacej frekvencie. Je
vypočítaný podľa vzťahu
f clk_mcp3202 = M ⋅ f vz = 18 ⋅ 44000 = 792kHz
(7.5)
M je počet bitov, ktoré sa musia preniesť počas jednej periódy vzorkovacej
frekvencie Tvz. Situáciu popisuje nasledovný obr. 33.
Obr.32 Počet bitov prenesených počas jednej periódy vzorkovacej frekvencie [30]
Druhý proces s názvom control má za úlohu riadiť celý blok. Tento proces
transformuje sériové dáta na dáta paralelné. Tretí proces s názvom collect_data posiela
tieto dáta na výstup bloku s frekvenciou vzorkovania.
Kombináciou konfiguračných bitov na vstupe config_i možno voliť mód, v akom
má prevodník pracovať.
55
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Na obr. 34 je zobrazený signál z A/D prevodníka.
Obr.33 Výstupný signál A/D prevodníka
Na obr. 35 je zobrazený detail signálu na obr.34. Z tohto obrázku vidno, že
výstupný signál je pomerne zašumený.
U [V]
2
1,9
1,8
1,7
1,6
t [ms]
1,5
15
20
25
30
35
40
45
50
Obr.34 Detail A signálu na obr. 33
V ďalšom spracovaní by tento šum spôsoboval problémy s vyhodnocovaním
frekvencie signálu, preto je potrebné nameraný signál zbaviť šumu, teda filtrovať. Ako
už bolo uvedené, signál sa bude filtrovať v číslicovej podobe využitím FIR filtra.
7.2.2 Návrh FIR filtra
Najzložitejšou časťou celého návrhu rýchlomeru bol práve návrh samotného FIR
filtra. Voľbou typu filtra je v tomto prípade určený interval rýchlostí, ktoré bude možné
merať. Keďže sa pri meraní jedná o pomerne nízke frekvencie, zvolili sme filter typu
56
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
dolná priepusť s pásmom priepustnosti v rozsahu od fd=0Hz po fh= 2500Hz. Hornou
frekvenciou priepustného pásma je určená maximálna meraná rýchlosť. Frekvencii
fh= 2500Hz odpovedá v prepočte maximálna meraná rýchlosť v max = 144,241km ⋅ h -1 .
Frekvencia fd=0Hz určuje, že zariadenie bude schopné merať rýchlosti od nuly.
Prechodné pásmo filtra je od 2500 Hz po 2600Hz.
Uvedený filter sme navrhli v programe Matlab s využitím toolboxu pre návrh
číslicových filtrov Filter Design and Analysis Ttool (FDA Tool). Pretože sme zvolili
pomerne strmý prechod prenosovej charakteristiky medzi priepustným a nepriepustným
pásmom, narástol s ohľadom na tento fakt aj rád filtra. Zvolili sme rád n=1024, čo
predstavuje počet 1024 koeficientov, ktoré na základe zadaných frekvencií vygeneroval
už spomínaný toolbox. Rád filtra je zvolený aj ako hodnota, ktorá je mocninou čísla 2.
Na obr. 36 je frekvenčná charakteristika FIR filtra.
Obr.35 Frekvenčná charakteristika FIR filtra
V ďalšom sme využili toolbox s názvom sptool. Do Matlabu sme importovali
signál z A/D prevodníka a tento sme aplikovali na navrhnutý filter. Týmto sme overili
57
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
správnosť vygenerovaných koeficientov. Na obr.37 je signál z prevodníka spolu
so signálom z FIR filtra.
Obr.36 Priebeh signálu z A/D prevodníka a signálu z FIR filtra
Po overení koeficientov nasledoval návrh bloku FIR filtra vo VHDL. Princíp
činnosti je založený na realizácii vzťahu (6.1) v kapitole 6.2. Filter pre svoju funkciu
potrebuje
mať
niekde
uložené
svoje
koeficienty
a takisto
históriu
vzoriek
prichádzajúcich z A/D prevodníka je potrebné niekam ukladať.
Potom sme uvažovali o spôsobe uchovania koeficientov v FPGA. Preto sme
navrhli blok s názvom ROM, ktorý predstavoval pamäť typu ROM. V nej sú koeficienty
uložené v tvare binárneho dvojkového doplnkového kódu.
Šírka magnitúdy koeficientu je odvodená od bitovej šírky vzoriek z A/D
prevodníka. Hodnoty koeficientov sa pohybujú v intervale (-1,1). Do pamäte je možné
vkladať len celé čísla. Preto sme každý koeficient vynásobili hodnotou 212 = 4096 a
zaokrúhlili na celé číslo. Vyplynulo to z dôvodu zachovania hodnoty koeficientu. Takto
upravené hodnoty koeficientov sme previedli do binárneho dvojkového doplnkového
tvaru. Údaje na výstupe pamäte DOUT_ROM_o sú k dispozícii iba pri hodnote signálu
na vstupe EN_i=’1’. Tento signál generuje a nastavuje na požadované hodnoty proces
main_control v bloku FIR_filter. Každý koeficient má v pamäti pridelenú svoju adresu.
Vstup ADR_ROM_i je ukazovateľ adries v pamäti. Jeho veľkosť je 10 bitov, čo
predstavuje rozsah 1024 pamäťových miest. Hodnotou ukazovateľa je určená aktuálna
58
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
pozícia, na základe ktorej je na výstupe pamäti príslušný koeficient. Celá pamäť je
synchronizovaná hodinovým signálom na vstupe clk_i.
Na podobnom princípe ako ROM pracuje pamäť RAM. Táto slúži na uchovávanie
vzoriek z A/D prevodníka. Nasledoval návrh bloku s názvom RAM, ktorý systém pri
implementácii opäť považuje za pamäť. Jej rozsah je takisto 1024 pamäťových miest.
Šírka pamäťového miesta v RAM je odvodená od šírky vzorky z A/D prevodníka,
teda 12bitov. Keďže namerané údaje sa budú v pamäti meniť, je potrebné rozšíriť
pamäť o možnosť zápisu do nej. O zápise resp. čítaní rozhoduje signál na vstupe
RD_WR_i, pretože nie je možné v jednom časovom okamihu naraz pamäť čítať aj do
nej zapisovať. V tomto prípade obsahuje pamäť dva ukazovatele adries. Jeden sa
využíva pri zápise do pamäte (ADR_RAM_load_i) a druhý pri čítaní vzoriek z pamäte
(ADR_RAM_count_i). Aj v tomto prípade je celá pamäť synchronizovaná hodinovým
signálom na vstupe clk_i. Signál na vstupe EN_i určuje, či je pamäť pripravená alebo
nie. Pred zápisom prvej vzorky je celá pamäť inicializovaná na nulovú hodnotu, teda
obsahuje samé nulové hodnoty. Pre tento blok sme vytvorili testovací návrh Test Bench.
Výstupné dáta z pamätí ROM a RAM sú v ďalšom použité ako vstupné dáta do
entity s názvom ALU, ktorá obsahuje jeden proces s názvom accumulate_data. Tento
proces zahŕňa znamienkovú násobičku. Jej šírka, 26 bitov, je daná ako výsledok
násobenia dvoch 13 bitových čísiel, ktoré sú aktuálne na vstupoch DATA_RAM_i
a DATA_ROM_i. Výsledok násobenia je vkladaný do registra s_mul_res. Výsledok
násobenia sa v sčítačke pripočítava k registru s_result, ktorý má šírku 32bitov.
Bloková schéma, podľa ktorej je vytvorený FIR filter vo VHDL je na obr. 38.
Obr.37 Bloková schéma FIR filtra
Bloky ROM,RAM a ALU sú použité v bloku FIR filtra ako hotové komponenty.
Blok FIR_filter obsahuje proces s názvom main_control, ktorý pracuje ako jednoduchý
59
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
stavový automat. Celá funkcia je rozdelená do troch stavov, LOADING, COUNTING
a FINISHING, ktoré generujú aj riadiace signály pre použité komponenty.
Na začiatku, resp. po reštarte systému, je filter v stave LOADING. Ukazovatele
pamätí sú nastavené na nulovú adresu, pamäť RAM je pripravená na zápis vzorky.
Pamäť ROM je pripravená k čítaniu. Ďalej je generovaný signál pre vynulovanie
sčítačky. Zároveň je na nulovú hodnotu nastavený signál pre platné dáta na výstupe
filtra. V okamihu, keď
blok mcp3202_if vygeneruje signál o platných dátach
DPAR_RDY, zapíše sa na adresu, na ktorú je nastavený ukazovateľ ADR_RAM_load
vzorka z A/D prevodníka. Filter prechádza do stavu COUNTING. V tomto stave sa
inkrementuje s frekvenciou hodinového signálu Tclk register s_Count. Hodnota
ukazovateľa ADR_RAM_count je dekrementovaná a hodnota ukazovateľa ROM je
inkrementovaná. Tým je zabezpečené, že sa postupne vyčítavajú údaje oboch pamätí
a násobenie v ALU sa realizuje podľa vzťahu (6.1). V prípade, ak hodnota registra
Cnt=1023, vtedy sú vyčítané všetky údaje z pamätí. Nastáva inkrementovanie
ukazovateľa ADR_RAM_load o hodnotu 1, aby sa mohla zapísať ďalšia vzorka. Filter
prechádza do stavu FINISHED. V tomto stave sa inkrementuje o hodnotu 1 ukazovateľ
ADR_RAM_count a vygeneruje sa signál s dĺžkou trvania 1 hodinového taktu, ktorý
hovorí, že na výstupe filtra sa nachádzajú platné dáta (vyfiltrovaná vzorka).
Činnosť pamätí je realizovaná ako cirkulárny buffer, kedy pri inkrementovaní sa
z maximálnej hodnoty tento dostáva na hodnotu počiatočnú. Z tohto stavu sa filter
dostáva opäť do stavu LOADING, kde sa pri hodnote signálu DPAR_RDY_=’1’
načítava do RAM ďalšia vzorka.
Na výstup filtra sa dostávajú dáta s rozsahom 24 bitov. Tieto predstavujú dolnú
časť z 32 bitového výsledku entity ALU. Takýmto oddelením ale nevzniká nepresnosť
vo výsledku, nakoľko sme si toto mohli dovoliť realizovať po vytvorení simulácie filtra.
Navyše pre 24 bitovú informáciu je možné použiť už vytvorený blok pre posielanie dát
do PC uart_24bit.
Na obr. 39 je zobrazený výstupný signál z FIR filtra
60
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Obr.38 Priebeh výstupného signálu FIR filtra
Signál z FIR filtra je už dostatočne vyfiltrovaný a v takomto tvare vhodný pre ďalšie
spracovanie. Z obr. 39 je vidno, že na začiatku filtrovaného signálu je oblasť, ktorá je
spôsobená tým, že pokiaľ nie je pamäť RAM naplnená vzorkami z A/D prevodníka,
vstupujú do filtra vzorky s nulovou hodnotou. Daná oblasť trvá po dobu vyfiltrovania
prvých 1024 vzoriek. Na obr. 40 je detail B signálu z FIR filtra.
U [V]
2,3
2,2
2,1
2
t [s]
1,9
0,065
0,066
0,067
0,068
0,069
0,07
Obr.39 Detail B signálu na obr.38
7.2.3 Návrh komparačného bloku
Úlohou komparačného bloku je generovať pravouhlé impulzy s frekvenciou podľa
frekvencie signálu, ktorý je výstupom FIR filtra. Vo VHDL je preto vytvorený blok
s názvom comparator. Tento blok pracuje na princípe ako obvod analógového
predspracovania signálu v prvom návrhu.
61
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Imulzy sú generované podľa referenčnej hodnoty. Úroveň referenčnej hodnoty je
stanovená ako hodnota signálu s nulovou amplitúdou zvýšenou o približne 10%. Táto
hodnota je daná referenčným napätím A/D prevodníka a predstavuje hodnotu
U REF = 1,77 V . Ak je hodnota amplitúdy signálu vyššia, na výstupe bloku je generovaný
impulz (log1). Ak hodnota klesne pod túto úroveň, na výstupe je log0. Porovnávanie sa
uskutočňuje iba porovnaním najvyšších 8 bitov spolu so znamienkom. Hodnota 10% je
pridaná za účelom, aby pri rozhodovaní nebol braný do úvahy ešte prípadný možný
šum. Na obr.41 je osciloskopom znázornený výstupný signál zo senzora spolu so
signálom na výstupe komparátora.
Obr.40 Signál zo senzora spolu so signálom z komparátora
Tvar výstupného signálu komparátora je taký ako na výstupe obvodu analógového
predspracovania signálu, teda pulzný signál. Teraz už je možné tento signál pripojiť na
vstup bloku Doppler_pulses, ktorý bol vytvorený v predchádzajúcom návrhu. Na výstup
tohto bloku je pripojený blok uart_24bit z predchádzajúceho návrhu. Blok uart_24bit je
v tomto prípade mierne upravený pre možnosť vysielania dát rýchlosťou 921600baud.
Dôvodom úpravy bolo využitie konverzného UART/USB obvodu vo vývojovej doske,
ktorý z dôvodu vyššej rýchlosti USB požaduje rýchlejšie vstupné UART dáta.
Výhodou tohto návrhu oproti prvému návrhu je, že po nainštalovaní potrebných
ovládačov pre USB port je celý systém možno pripojiť k notebooku, keďže niektoré
typy notebookov neobsahujú port sériový.
Pri návrhu každého bloku sme tak ako v prvom návrhu jeho správnu funkciu
overovali simuláciou.
62
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
8. Meranie rýchlosti pomocou navrhnutého systému a vyhodnotenie
chýb a neistôt merania
8.1 Meranie rýchlosti pomocou navrhnutého systému
Meranie rýchlosti sa v oboch návrhoch uskutočňuje rovnakým spôsobom, preto
analyzovanie chýb a neistôt je rovnaký pre oba návrhy. Pri meraní rýchlosti sme opäť
využili model vozidla. Meranie v tomto prípade bolo realizované tak, že vozidlo pri
pohybe smerovalo priamo na radar. Vylúči sa tým chyba spôsobená uhlom α. Rýchlosť
bola odčítavaná z obrazovky PC v okamihu, keď vozidlo bolo v takej vzdialenosti pred
radarom, aby bolo schopné včas zabrzdiť. Rýchlosť sa odčítavala v okamihu pred
začiatkom brzdenia vozidla. Vizualizačný software má možnosť zapamätania si
maximálnej frekvencie počas merania, z ktorej je jednoduché určiť maximálnu rýchlosť.
Meranie sme pre zvýšenie presnosti realizovali 10 krát. Namerané údaje sú v prílohe 4,
v tab.2.
8.2 Chyby a neistoty merania
Najrôznejšie negatívne vplyvy, ktoré sa v reálnom meracom procese vyskytujú, sa
prejavia odchýlkou medzi nameranou a skutočnou hodnotou meranej veličiny.
Výsledok merania sa tak vždy pohybuje v istom tolerančnom poli okolo skutočnej
hodnoty, ale takmer nikdy nenastáva ideálne stotožnenie oboch hodnôt.
Neistota výsledku merania je kvantitatívnym ukazovateľom jeho kvality.
Vyjadrenie neistoty výsledku merania umožňuje porovnať výsledky s referenčnými
hodnotami.
Štandardná neistota typu A
Vyhodnotenie štandardnej neistoty typu je metóda vyhodnotenia neistoty
pomocou štatistickej analýzy nameraných údajov. Namerané údaje sú realizáciou n
nezávislých rovnako presných meraní jednej veličiny. Potom bude odhad hodnoty
meranej veličiny daný vzťahom
x=
1 n
∑ xi
n i =1
(8.1)
63
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Štandardná neistota určená metódou A tohto odhadu sa rovná smerodajnej
odchýlke aritmetického priemeru, teda
n
sx
1
=
( xi − x) 2
∑
n(n − 1) i =1
n
u Ax = s x =
(8.2)
Štandardná neistota typu B
Neistoty vyhodnocované metódou B sa viažu na známe, identifikovateľné
a kvantifikované zdroje. Štandardná neistota sa odhaduje pomocou kvalifikovaného
úsudku založeného na všetkých dostupných informáciách o meranej veličine.
Ak je známa maximálna odchýlka i-teho zdroja neistoty zimax, určí sa neistota
u Bzi podľa vzťahu
u Bzi =
z i max
k
(8.3)
kde k je hodnota prislúchajúca zvolenej aproximácii rozdelenia pravdepodobnosti.
Výsledná neistota sa určí ako
u By =
p
∑A u
i =1
2
i
2
Bzi
(8.4)
kde
u Bzi sú neistoty jednotlivých zdrojov
Ai sú koeficienty citlivosti príslušného zdroja neistoty, ktorý sa určí ako parciálna
derivácia funkcie y podľa príslušnej vstupnej veličiny xi.
Ai =
∂y ∂f ( x1 , x 2 ,..., xi ,...x m )
=
∂xi
∂xi
(8.5)
Kombinovaná neistota je daná vzťahom
uC = u A2 + u B2
(8.6)
64
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
8.3 Vyhodnotenie chýb a neistôt merania rýchlosti navrhnutým systémom
Štandardná neistota typu A
Stredná hodnota nameranej rýchlosti:
v=
1 n
1 10
vi = ∑ vi =1,9973m ⋅ s -1
∑
10 i =1
n i =1
(8.7)
Stredná hodnota nameranej frekvencie:
fD =
1 n
1 10
f
=
∑ D
∑ f D =124,623Hz
n i =1 i 10 i =1 i
(8.8)
Stredná hodnota periódy nameranej frekvencie:
TD =
1
1
=
= 8,024 ⋅10 −3 s
f D 124,623
(8.9)
Výsledná neistota typu A
uA =
10
n
1
1
2
−
=
(
)
v
v
∑ i
∑ (vi − 1,9973) 2 = 0,029m ⋅ s -1
n(n − 1) i =1
10(10 − 1) i =1
(8.10)
Štandardná neistota typu B
Prvý zdroj neistôt u Bz1 je od senzora HB410.
Nakoľko predajca senzora HB410 neuvádza presnosť senzora a tento údaj nebol
dostupný ani u výrobcu daného senzora, rozhodli sme sa tento zdroj neistôt neuvažovať.
Druhý zdroj neistôt u Bz 2 je od čítača realizovaného v obvode FPGA.
Čítač pracuje s frekvenciou hodinového signálu fclk=50MHz. Presnosť s akou je
meraná frekvencia signálu je Tclk = 20 ⋅10 −9 s ± 10 ⋅10 −9 s
u Bz 2 =
Tclk 20 ⋅10 −9
=
= 5,774ns
k
2 3
(8.11)
Podľa vzťahu (5.3) platí
v=
ce
c 1
fD = e
2 ⋅ F0
2 ⋅ F0 TD
(8.12)
65
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Koeficient citlivosti je daný ako vzťah (8.13)
⎛ c
1
∂⎜⎜ e
2 ⋅ F0 TD
∂v
A2 =
= ⎝
∂TD
∂TD
⎞
⎟⎟
8
⎠ = − ce T (-2 ) = − 2,997 ⋅ 10 ⋅ (8,024 ⋅ 10 −3 ) − 2 = −248,922m ⋅ s -2
D
2 ⋅ F0
2 ⋅ 9,35 ⋅ 10 9
Výsledná neistota typu B je daná ako
2
u B = A22 ⋅ u Bz
2 =
(− 248,5)2 ⋅ (5,774 ⋅10 −9 )2
= 1,4 ⋅10 −6 m ⋅ s -1
(8.14)
= 0,029m ⋅ s -1
(8.15)
Kombinovaná neistota
(
uC = u A2 + u B2 = 0,029 2 + 1,435 ⋅10 −6
)
2
Výsledná hodnota meranej rýchlosti je potom daná ako
v = (1,9973 ± 0,029)m ⋅ s -1
(8.16)
Pri meraní vniesla do výsledku najväčšiu chybu práve neistota typu A, pretože
použitá metóda merania, s ohľadom na podmienky merania, je veľmi nepresná. Pre
zvýšenie presnosti merania by bolo vhodné vytvoriť špeciálny prípravok, ktorý by
obsahoval dopravný pás s pripevneným objektom. Tento pás by sa pohyboval
definovanou rýchlosťou.
66
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Záver
Úlohou tejto diplomovej práce bolo navrhnúť a realizovať radarový systém, ktorý
dokáže merať rýchlosť pohybujúcich sa objektov. Pred samotným návrhom systému
bolo potrebné sa oboznámiť s metódami merania rýchlosti objektov, naštudovať
princípy číslicového spracovania signálov ako aj zvoliť vhodnú metódu pre spracovanie
signálu z použitého senzora. Ďalším potrebným krokom bolo vykonať základné merania
na použitom senzore, ktorých cieľom bolo overiť vzťah pre prepočet nameranej
Dopplerovej frekvencie výstupného signálu senzora na rýchlosť meraného objektu.
Navrhnuté a realizované sú dva systémy, ktoré sú schopné merať rýchlosť
reálnych objektov prostredníctvom merania periódy signálu s Dopplerovou frekvenciou.
Oba systémy majú pred meraním rýchlosti reálnych objektov možnosť prepnutia do
stavu merania testovacej frekvencie fT=100Hz, ktorá je generovaná priamo v obvode
FPGA.
Druhý návrh bol realizovaný za účelom odstránenia obvodu analógového
predspracovania signálu, ktorý upravuje výstupný harmonický signál zo senzora na
signál pulzný. Obvod analógového predspracovania je v tomto prípade realizovaný
hardvérovo priamo v obvode FPGA. Tým vzniká možnosť odstránenia dosky plošného
spoja
pripevnenej
k senzoru,
na
ktorej
je
realizovaný
obvod
analógového
predspracovania signálu, čím sa zmenšia rozmery a zníži sa hmotnosť senzora. Ďalšou
výhodou druhého návrhu je využitie konverzného UART/USB obvodu na vývojovej
doske, ktorý dovoľuje komunikáciu s PC prostredníctvom protokolu USB. Výhodou
USB protokolu je okrem vyššej komunikačnej rýchlosti aj možnosť pripojenia
k prenosnému počítaču.
Voľba FPGA umožňuje dynamicky upravovať daný systém pre požiadavky iných
aplikácií.
V prípade
vizualizačného
softvéru,
je
možné
tento
softvér
zdokonaliť
pridaním viacerých doplnkov, čím sa dosiahne vyššia flexibilita celého systému. Softvér
je možné zdokonaliť napr. o zvukové efekty alebo možnosť obsluhy nastaviť uhol
α pred samotným začiatkom merania.
67
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Použitá literatúra
[1] Ashenden, J.,P.: The VHDL Cookbook, University of Adelaide, South Australia
1990
[2] Douglas, L., P.: VHDL: Programming by example, McGraw-Hill, Inc 2002
[3] Ďaďo, S.,Kriedl, M.: Senzory a měřící obvody, ČVUT Praha, Praha 1996
[4] Chudý, V., Pálenčár, R., Kureková, E., Halaj, M.: Meranie technických veličín,
Bratislava, Vydavateľstvo STU 1999
[5] Guldan, A.: Mikroelektronické senzory, Vydavateľstvo technickej a ekonomickej
literatúry, Bratislava 1987
[6] Halvorson, M.: Microsoft Visual Basic 6.0 PROFESSIONAL krok za krokem,
Computer Press, Brno 2003
[7] Horák, Z., Krupka, F., Šindelář, V.: Základy technickej fysiky, Vydavateľstvo
ROH, Praha 1955
[8] Ivan, P.: Návrh obvodových štruktúr aritmetických operácií systémov číslicového
spracovania signálov, Diplomová práca, Žilinská univerzita, Žilina 2000
[9] Novák, Š.: Kompilátor pre jazyky HSSL a VHDL, Diplomová práca, Slovenská
technická univerzita Bratislava, Bratislava 2002
[10] Sundar, R.: Essential VHDL – RTL Synthesis Done Right, ISBN: 0-9669590-0-0
[11] Tirpák, A.: ELEKTRONIKA veľmi vysokých frekvencií, Univerzita Komenského
Bratislava, Bartislava 2001
[12] Vrba, J.: Aplikace mikrovlnné techniky, ČVUT Praha, Praha 2001
[13] Meca, P.: Mikrovlnný (radarový) senzor, A-Radio č.2 r.2003, str.2 - 4
[14] Mikrovlnný radarový senzor HB410: Technická dokumentácia
[15] Internetová stránka firmy AgilSense
http://www.agilsense.com
[16] Internetová stránka o detektoroch policajných radarov
http://www.antiradar.sk
[17] Internetová stránka firmy Solution Company, FPGA Basics
http://www.associatedpro.com/aps/x84lab/FPGA.html
[18] Vojáček, A.: Použití FIR filtrů v digitálním zpracování signálú, Mĕrĕní a regulace
http://automatizace.hw.cz/view.php?cisloclanku=2005110801
68
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
[19] Communications&Multimedia Laboratory, NATIONAL TAIWAN UNIVERSITY
http://www.cmlab.csie.ntu.edu.tw/cml/dsp/training/coding/transform/fft.html
[20] Polikarpov, Boris.: Programovateľný číslicový křížový korelátor, str.1
http://conf.unob.cz/STO9/sbornik/clanky/Boris_Polikarpov.pdf
[21] Police Radar Handbook
http://copradar.com/preview/chapt4/ch4d1.html
[22] Internetová stránka firmy Xilinx, ISE 7 In-Depth Tutorial
http://direct.xilinx.com/direct/ise7_tutorials/ise7tut.pdf
[23] Smith, S.: The scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing
http://www.dspguide.com/pdfbook.htm
[24] Internetová stránka DUI Lawyers Network
http://www.dui1.com/Dui_Lawyers_Driving14.htm
[25] Wikipedia, the free encyclopedia, Doppler effect
http://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_effect
[26] Wikipedia, the free encyclopedia, Pulse-doppler radar
http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-doppler_radar
[27] THE UNIVERSITY OF ARISONA, The anatomy of the electromagnetic wave
http://www.geo.arizona.edu/xtal/nats101/s04-13.html
[28] National Aeronautics and Space Administration, Doppler Shift
http://imagine.gsfc.nasa.gov/YBA/M31-velocity/Doppler-shift-2.html
[29] Ústav informatizácie, automatizácie a matematiky, FCHPT v Bratislave
http://www.kirp.chtf.stuba.sk/~vasickan/filinternet.pdf
[30] Internetová stránka firmy MICROCHIP
http://www.microchip.com
[31] ÚNMS SR, Cestné radarové rýchlomery
http://www.normoff.gov.sk/unms_sr/doc/110800/32%20Radary.doc
[32] ÚNMS SR, Cestné radarové rýchlomery, Príloha č.32 k vyhláške č.210/2000 Z.z.
http://www.photocop.com/speed.htm
[33] Internetová stránka firmy Smart microwave sensors GmbH
http://www.smartmicro.de/turin2384.pdf
[34] http://www.speed-trap.co.uk/Accused_Home/How_it_Works/dopplerguide.gif
[35] Internetová stránka firmy Xilinx
http://www.xilinx.com
69
Spracovanie signálov mikrovlnného radarového senzora
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Zoznam príloh
Príloha 1 Rozmerové parametre senzora HB410
Príloha 2 Schéma zapojenia obvodu analógového predspracovania signálu zo senzora
Príloha 3 Overenie niektorých parametrov senzora HB410 udávaných výrobcom
Príloha 4 Namerané hodnoty rýchlosti
Príloha 5 Vývojová doska Memec Spartan-3 LC
Príloha 6 Schéma zapojenia JTAG programátora k vývojovej doske
Príloha 7 Realizácia programátora JTAG k vývojovej doske
Príloha 8 Schéma zapojenia A/D prevodníka MCP3202
Príloha 9 Realizácia A/D prevodníka MCP3202
Príloha 10 Bloky navrhnuté vo VHDL použité pri návrhu architektúry
Príloha 11 Priložené CD
70
PRÍLOHY
Príloha 1 - Rozmerové parametre senzora HB410
Obr.1 Rozmerové parametre senzora HB410
Príloha 2 – Schéma zapojenia obvodu analógového predspracovania signálu zo
senzora
Obr.1 Schéma zapojenia obvodu analógového predspracovania signálu zo
senzora
Príloha 3 - Overenie niektorých parametrov senzora HB410 udávaných výrobcom
V tab.1 sú uvedené hodnoty najdôležitejších charakteristických parametrov
senzora HB410 podľa výrobcu. Niektoré z parametrov sme overili meraním.
Tab.1: Charakteristické údaje HB410 podľa výrobcu
Parameter
Napájacie napätie
Prúdový odber
Zaťažiteľnosť výstupu
Rušivé vyžarovanie
Rušivé vyžarovanie
Nastaviteľný dosah
Vyžarovací uhol - AZIMUT -3dB
Vyžarovací uhol - ELEVÁCIA -3dB
Vysielacia frekvencia
Vyžarovaný výkon
Pracovná teplota
MIN.
8
TYP.
40
50
1
9,345
10
-15
80
40
9,35
13
MAX.
25
50
100
-30
-30
10
9,355
17
55
Hodnota
V
mA
mA
dBm
dBm
m
°
°
GHz
dBm
°C
A. Meranie prúdového odberu
Obr.1 Schéma zapojenia pre meranie prúdového odberu senzora s obvodom
analógového predspracovania signálu
Tab.2: Prúdový odber senzora
Bez indikácie pohybu
S indikáciou pohybu
I [mA]
41,7
43,6
Výrobcom udávaný prúdový odber senzora je v rozsahu od Imin= 40mA do
Imax=50mA, teda na základe merania možno potvrdiť, že hodnota prúdového odberu zo
senzora sa pri minimálnom napájacom napätí Ucc=8V nachádza v rozsahu, ktorý udáva
výrobca.
B. Meranie dosahu senzora
Akýkoľvek pohyb, ktorý je senzor schopný detekovať, je indikovaný LED diódou,
preto v prípade tohto merania sme merali vzdialenosť objektu L od senzora v okamihu
rozblikania sa LED diódy. Namerané hodnoty sú uvedené v tab.3.
Tab.3 Meranie dosahu senzora
Citlivosť senzora
minimálna
maximálna
Dĺžka dosahu [m]
0,992
10,106
Zoznam použitých prístrojov:
- stabilizovaný napájací zdroj Statron 0 - 40V/1,5A, HL.Č.IM: 30059
- mikrovlnný senzor HB410, SN:20211103-05
- digitálny osciloskop Tektronics TDS 3032B 300MHz, HL.Č.IM: 23560
- digitálny multimeter velleman DVM98 HL.Č.IM: 30058
- R1 =10kΩ
- R2 = 10kΩ potenciometer
- sada pripojovacích vodičov
Príloha 4 – Namerané hodnoty rýchlosti
Tab.1: Namerané hodnoty rýchlosti
č. m.
t [s]
1
1,689
2
1,938
3
1,740
4
1,910
5
1,836
6
1,709
7
1,853
8
1,925
9
1,794
10
1,777
v 0[ms-1]
f D[Hz]
2,072
119
1,806
110
2,011
132
1,832
125
1,906
122
2,048
132
1,889
122
1,818
106
1,951
114
1,970
129
v 1[ms-1]
1,907
1,764
2,116
2,003
1,955
2,116
1,955
1,699
1,827
2,067
Vzorový výpočet:
Konštanty použité pri výpočtoch:
s = 3,5m
c e = 2,997 ⋅ 10 8 m ⋅ s -1
F0 = 9,35 ⋅10 9 Hz
Vzorový výpočet pre prvú hodnotu merania v tab.1:
Hodnota rýchlosti vypočítaná z definície rýchlosti:
v0 =
3,5
Δs
=
= 2,072m ⋅ s -1
Δt 1,689
Rýchlosť vypočítaná z nameranej Dopplerovej frekvencie:
v=
ce
2,997 ⋅108
⋅ fD =
⋅119 = 1,907 m ⋅ s -1
9
2 ⋅ F0
2 ⋅ 9,35 ⋅10
Tab.2: Namerané hodnoty rýchlosti pomocou navrhnutého systému
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
č. m.
125,166
121,796
117,179
121,672
131,031
129,783
118,739
118,489
131,156
131,218
f D[Hz]
v [ms-1] 2,006
1,952
1,878
1,950
2,100
2,080
1,903
1,899
2,102
2,103
Príloha 5 - Vývojová doska Memec Spartan-3 LC
Obr.1 Vývojová doska Memec Spartan-3 LC
Príloha 6 - Schéma zapojenia JTAG programátora k vývojovej doske
Obr.1 Schéma zapojenia JTAG programátora k vývojovej doske
Príloha 7 – Realizácia programátora JTAG k vývojovej doske
Obr.1 Doska plošného spoja – strana súčiastok
Obr.2 Zhotovený JTAG programátor
Príloha 8 – Schéma zapojenia A/D prevodníka MCP3202
Obr.1 Schéma zapojenia A/D prevodníka MCP3202
Príloha 9 – Realizácia A/D prevodníka MCP3202
Obr.1 Doska plošného spoja – strana súčiastok
Obr.2 Zhotovený A/D prevodník MCP3202
Príloha 10 – Bloky navrhnuté vo VHDL použité pri návrhu architektúry
Blok Doppler_pulses
Blok Merač
Blok mcp_3202
Blok uart_24bit
Blok frequency
Blok FIR_filter
Blok RAM
Blok ROM
Blok ALU
Blok Analog_measure
Blok comparator
Príloha 11 – Priložené CD
CD obsahuje:
- Diplomovú prácu v elektronickej forme
- Projekt VHDL pre návrh architektúry spracovania signálu zo senzora s obvodom
analógového predspracovania signálu – „counter_pulses“
- Projekt VHDL pre návrh architektúry spracovania signálu zo senzora bez obvodu
analógového predspracovania signálu – „analog_measure“
- Vizualizačný softvér pre komunikáciu s PC cez UART protokol – „Digital radar“
- Vizualizačný softvér pre komunikáciu s PC cez USB protokol – „Analog radar“
Download

Diplomová práca