О точных измерителях дальности от компаний Texas Instruments и Silicon Radar

Диапазон 77 ГГц предназначен как для автомобильного, так и для индустриального применения. В последнем случае подразумевается действие радио-локационного измерителя в закрытом объеме. В настоящее время в России разрешена безлицензионная работа устройств в диапазоне 122–123 ГГц при излучаемой мощности не более 5 Вт.

Компания Texas Instruments предлагает отладки IWR1443BOOST и IWR1642BOOST [3]; компания Silicon Radar — SiRad Simple и SiRad Easy [4].

Рассмотрим первые из названных отладок обоих производителей.

Отладка IWR1443BOOST компании Texas Instruments

Отладка размером 65х81 мм построена на основе одноименного чипа. Его структурная схема представлена на рис. 1. Микросхема отличается высокой степенью интеграции и условно состоит из двух частей — RSS (Radar Sub System) и MSS (Master Sub System). Первая отвечает за формирование СВЧ-свипа, прием и передачу СВЧ-сигналов и оцифровку полученных данных. В микросхеме реализовано четыре приемных и три передающих канала. На передачу могут одновременно работать только два. Вторая часть — это, по сути, процессор Cortex-R4F, действующий на частоте 200 МГц и имеющий ряд встроенных функций для обработки радиолокационных сигналов.

Рис. 1. Структурная схема IWR1443

Идеология работы IWR1443 подразумевает загрузку прошивок в обе части, RSS и MSS, которая выполняется при подаче питания, поскольку сам кристалл не содержит энергонезависимой памяти. В соответствии с выбранным режимом загрузка происходит либо по интерфейсу QSPI из внешней Flash, либо с помощью дополнительного МК по интерфейсу SPI. При этом прошивка RSS недоступна для модификации пользователем, в отличие от прошивки MSS, способной генерироваться из пользовательского исходного кода посредством Code Composer Studio. Конфигурирование RSS-части производится с применением библиотечных функций вида MMWave_xxx из кода MSS-части. Формат команд подробно описан в документе “AWR1xx_Radar_Interface_Control”, который входит в состав DFP [5].

Отладка IWR1443BOOST, показанная на рис. 2, помимо IWR1443 содержит печатные антенны, загрузочную Flash-память S25FL116, четырехканальный импульсный преобразователь напряжения LP87524, малошумящие стабилизаторы TPS7A8101, TPS7A8801 и микроконтроллер TM4C129, который выполняет функции драйвера XDS110 для обмена с ПК и целей отладки. На одном USB-порте он реализует два COM-порта, один из которых предназначен для управления на скорости 115 200 bps, а второй — для передачи данных на скорости 921 600 bps. Преобразователи напряжения необходимы, так как IWR1443 требует четыре различных вида питания: 1,2/1,35/1,8/3,3 В.

Рис. 2. Плата IWR1443BOOST

Обмен данными IWR1443 может производить по нескольким последовательным интерфейсам: SPI (921600 bps), I²С (400 kbps), CAN (1Mbps) и MIPI-CSI2 (900 Мbps). Последний позволяет выводить лишь сырые оцифрованные данные со встроенных АЦП. Микросхема имеет также шесть внешних линий АЦП и три линии ввода/вывода для свободного использования.

Для IWR1443 указана максимальная ширина свипа 4 ГГц, что соответствует разрешению по дальности 37,5 мм. В отладке же используется 3721,8 МГц максимум, что дает разрешение по дальности 40,3 мм.

Определение дальности до объекта с помощью IWR1443BOOST

Компания Texas Instruments предоставляет несколько демонстрационных примеров, два в составе SDK [6], после инсталляции они находятся в его подкаталоге ..\packages\ti\demo\xwr14xx. Дополнительные примеры предоставляются в mmWave Training [7], после инсталляции на ПК они размещены в подкаталогах ..\demos и ..\labs. Часть из них используют GUI на стороне ПК под MATLAB runtime R2016b (9.1), который ставится лишь на 64‑разрядную ОС, а часть приложения написана под GUI_Composer.

Для простейшего тестирования отладочной платы возьмем пример mmWave Demo, описанный в подкаталоге SDK ..\docs\mmwave_sdk_user_guide.pdf. Для этого обратимся к готовым прошивкам: xwr12xx_xwr14xx_radarss.bin для RSS-части (собственно, она одна и та же для всех примеров) и xwr14xx_mmw_demo_mss.bin для MSS-части (она всегда разная и требует соответствующего ПО для ПК). Прошьем обе в IWR1443 с помощью утилиты UniFlash. Для визуализации радарных данных предоставляется mmWave_Demo_Visualizer [8], который можно запустить в браузере либо установить из галереи приложений TI [9]. Проведем оценку радарного модуля в условиях офиса. В качестве отражающего объекта используем треугольный уголковый отражатель, изготовленный из фольгированного стеклотекстолита, со стороной ребра 11 см и ЭПР 101,56 м² на частоте 122 ГГц и установим его на столе на расстоянии около 3 м. Сконфигурируем пользовательские параметры, как показано на рис. 3.

Рис. 3. mmWave_Demo_Visualizer: параметры пользователя

Периодичность фрейма 1 раз в 1 с обеспечивает стабильность работы программы, при более высокой скорости она часто зависает. Мощность отраженного сигнала в зависимости от расстояния показана на рис. 4 синей линией, зеленая линия отображает шумы приемника, расстояние до уголкового отражателя измерено как 3,47 м с разрешением по дальности 4,7 см. 

Рис. 4. mmWave_Demo_Visualizer: спектр

Двухмерное радарное изображение офисного окружения показано на рис. 5.

Рис. 5. mmWave_Demo_Visualizer: 2D радарное изображение

Используемые параметры для сбора данных отображаются рядом с графиками на дополнительных вкладках, наиболее важные сведены в таблицу 1. При ширине ЛЧМ 3200 МГц крутизна перестройки составляет 100 МГц/мкс, что означает время одного свипа 32 мкс. Фрейм содержит 32 таких свипа, соответственно, их суммарная длительность составляет 32×32 мкс = 1,024 мс. Аналогичная цифра получается, если исходить из частоты оцифровки и числа точек. Примечательно, что холостой режим работы встроенного процессора составляет 962,201 мс; время обработки данных — 10,125 мс; а время передачи в сторону ПК — 26,145 мс, в сумме это даст 998,471 мс. Поскольку время одного цикла сбора данных составляет 1 с, значит, на сбор данных тратится 1,529 мс, то есть примерно в 1,5 раза больше суммарной длительности свипов. Если рассматривать встраиваемое приложение на базе IWR1443, то есть без необходимости обмена данными с ПК, это означает непрерывную скорость съема данных около 85 фреймов/с. Ограничивающим фактором в нашем примере является время обработки данных на ПК: оно больше в несколько раз и составляет приблизительно 300 мс.

Отладка SiRad Simple компании Silicon Radar

Ее фотография показана на рис. 6.

Рис. 6. Плата SiRad Simple и линза

Основу СВЧ-части составляет приемопередатчик TRX_120_001, на плате он виден как белый прямоугольник размером 8×8 мм, его структурная схема показана на рис. 7. В комплекте предусмотрена пластиковая линза диаметром 32 мм, обеспечивающая ДН порядка 5° и усиление около 40–45 дБ. Управляющим элементом является микроконтроллер (МК) STM32F303RE. Для генерации СВЧ-свипа используется микросхема ADF4159, которая управляется МК по шине SPI. Оцифровка каналов I/Q производится встроенными в МК 12‑битными АЦП с частотой семплирования до 5 МГц. Управление модулем, а также передача данных от него осуществляется по COM-порту на фиксированной скорости 230 400 bps. Такая низкая скорость заметно ограничивает число выборок в секунду. Для STM32F303RE, тем не менее, это далеко не предел — он позволяет получать скорость COM-порта до 9 Mbps, поддерживаются также скорости 921 600 bps, 1/2/3/6 Mbps. Дополнительно на плате установлена энергонезависимая память и модуль Wi-Fi ESP8266-12F, а также яркий светодиод, что актуально при работе на значительных расстояниях.

Рис. 7. Структурная схема TRX_120_001

Производитель гарантирует для TRX_120_001 ширину свипа 6,8 ГГц, что соответствует разрешению по дальности 22,06 мм. Однако при включении отладка сканирует возможный диапазон перестройки и устанавливает его на максимум, это позволяет получить ширину свипа около 7,2 ГГц, с разрешением по дальности 20,8 мм.

Определение дальности до объекта с помощью SiRad Simple

Компания Silicon Radar предоставляет GUI, написанный под Java. Запустим его под Firefox 57.0.2 и определим расстояние до того же самого уголкового отражателя. Пластиковую линзу не используем, так как ее нет у платы TI. На вкладке слева установим параметры сбора данных, которые сведены в таблицу 2. Время свипа в 1094 мкс лишь на несколько процентов больше, чем суммарная длительность свипов у IWR1443BOOST. Спектр сигнала показан на рис. 8 в центре экрана, белая линия отображает порог для селекции целей.

Рис. 8. Спектр сигнала SiRad Simple

В правом верхнем углу указана ширина ЛЧМ 7198 МГц и разрешение по дальности 2,08 см, число реализаций в секунду и приведен список целей. В строчке под номером 8 мы видим расстояние до уголкового отражателя, которое равно 3292 мм, с относительной мощностью сигнала –9 дБ, что на 178 мм меньше результата, полученного ранее в аналогичных условиях с платой TI. Такое расхождение невозможно объяснить погрешностью измерения и/или эксперимента.

Сравнительные характеристики

Для выяснения причины расхождения в данных была проведена оценка систематической погрешности измерения дальности на расстоянии 1 м при отражении сигнала от металлической плоскости. Погрешность составила примерно +5 мм для TRX_120_001 и +95 мм для IWR1443. Погрешность измерения 95 мм соответствует задержке в 633 пс. Этот результат подтвержден в эксперименте от производителя [10], где погрешность определена как +80 мм. По всей видимости, она обусловлена наличием в передающем тракте управляемых фазовращателей перед УМ (рис. 1), которые имеют базовую задержку.

Сравнительные характеристики микросхем сведены в таблицу 3. Для построения автономного устройства обе микросхемы требуют дополнительной обвязки. Для IWR1443 это Flash-память с интерфейсом QSPI, четырехканальные преобразователи напряжения и внешние антенны. Для TRX_120_001 обвязки понадобится несколько больше. Помимо малошумящего стабилизатора питания (ADM7150, LT3042, TPS7A8xxx), нужен усилитель ПЧ, микросхема для формирования ЛЧМ (ADF4158/9, AD9952/3/4) и микроконтроллер со встроенным АЦП (STM32F303 с 5‑MIPS АЦП, PIC32MZ c 28‑MIPS АЦП) для оцифровки данных и их обработки. Тем не менее стоимость ее не слишком велика, и пользователь получает возможность конфигурировать параметры свипа и оцифровки ПЧ в более широких пределах.

Примечания.
* Лишь два могут работать одновременно.
** Шум тактовой частоты: –94 для 76–77 ГГц;  –91 для 77–81 ГГц.
^*** Для комплексного сигнала 18,75 Msps.

К достоинствам IWR1443 отнесем: высокую скорость перестройки ЛЧМ; наличие многоканального приема и передачи, что позволяет строить 2D и 3D радарные изображения; высокую степень интеграции решения: приемопередатчик, формирователь свипа, АЦП и вычислитель в одном корпусе.

Преимуществами же TRX_120_001 являются: более высокая точность, обусловленная как полосой ЛЧМ, так и длиной волны; меньшая систематическая погрешность, которая может служить источником нестабильности; наличие встроенных антенн; возможность легко получить «кинжальный» узкий луч (2–5°) ДН с помощью дешевой пластиковой линзы; простота монтажа и производства.

Таким образом, радарные измерители расстояния миллиметрового диапазона становятся доступны для широкого круга пользователей. К сферам их применения можно отнести дистанционный контроль: дорожного движения, прохождения таможни, вибраций, состояния пациентов в медицине, уровнемеры и системы технического зрения.