基于EPA通信卡的调频连续波雷达物位计设计

　　0　引言

　　EPA(Ethernet forPlantAutomation)是国内第一个拥有自主知识产权的现场总线国家标准,作为一种分布式以太网现场总线标准,可保证系统执行过程中对稳定性和实时性要求[1]。为了更好的实现物位测量技术与现场设备各管理层次的信息无缝集成,和现代工厂对物料测量设备精度高和适用范围广的要求,设计了以FMCW为调制方式,以EPA接口卡来实现基于以太网的通信雷达物位测量系统。

　　1　FMCW雷达物位计设计

　　设计中所采取的调频连续波FMCW (FrequencyModulatedContinuousWave)雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制系统[2],由于它具有无距离盲区、高分辨率、低发射功率等方面的优点,近年来受到广泛关注。

　　雷达物位计是利用电磁波的特性来测量的。雷达天线向被测目标发送高频电磁波信号,由于被测物料与空气的介电率差别很大,电磁波会在不同介电率的界面上像镜面一样产生反射,天线接收反射波,整形后由数字信号处理来取得距离值。系统结构如图1所示。锯齿波调制器为压控振荡器(VCO)提供调制信号,产生的高频锯齿波振荡信号经定向耦合器送往环形器,并将部分信号送往混频器作为本地振荡信号。环形器将定向耦合器将送来的信号送往天线,由天线向被测表面辐射。

　　被反射的微波信号由天线接收后由环形器进入混频器。混频器对本地振荡信号和接收信号进行混频,就可产生包含距离信息的差频信号。差频信号被送往放大器,将回波信号放大到一定的幅度来满足数字信号处理器的要求。差频信号经16位A/D转换器可获得1/65 536的分辩率,精度可完全达到要求。用于校正信号的采样速率要求不高,可采用串行接口。同时,为了提高雷达物位计的适用范围,可前置数字程控增益宽带放大器,对混频后的差频信号进行放大处理,其增益可由数字信号处理进行控制,增益选择范围-12B~+30dB,扩大了信号的动态范围。

　　以DSP为核心的信号处理模块主要对采样序列进行离散傅立叶变换(DFT),并采用快速傅立叶变换(FFT)完成差频信号到距离信息的转换工作[3]。最后,经EPA接口卡送往主机及显示器进行显示或输出报警信号。图2是在信噪比为35dB的情况下差频信号频谱图。

　　通过频谱分析,找出最大值对应的频率fm,代入雷达距离公式如式(1)所示,可以得到被测目标与天线之间的距离R.

式中:B为发射信号扫频带宽;T为扫频周期; c为光速。

　　2　基于物位计的EPA通信接口卡的实现

　　接口卡设计如图3所示。由于采用EPA专用芯片,实现了EPA协议中的套接字映射接口、和时间同步和信息库等管理等问题,可降低开发难度。微控制器单元采用了嵌入式的AT91R40008芯片。以太网控制器采用了AX88796,它与EPA芯片提供的接口兼容,实现了网络数据的收发。