设计人员承受着不断的竞争压力,需要实现更小,更精确,检测范围更长的运动传感器,以应用于智能建筑,工厂自动化,运输和无人机等各种行业。毫米波(mmWave)技术正在成为一种有吸引力的运动检测选项,而mmWave技术的新设计师则发现潜在的雷达前端和高性能信号链具有挑战性。
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为了解决这些问题,mmWave设备和相关的开发套件现已上市,使设计人员能够快速部署复杂而精确的运动检测系统。
本文将讨论运动检测系统的扩展作用,并解释为什么mmWave是范围和准确性的不错选择。然后,它将介绍一个合适的工具包,并说明如何启动和运行它。
运动检测的扩展作用
运动检测已成为广泛应用中越来越重要的功能。除了在智能建筑和家庭产品中用作便利功能外,它还在汽车和工业应用中提供了关键的安全功能。在越来越多的应用中,扩大范围和精度至关重要,这要避免使用围绕无源红外传感器或飞行时间系统构建的传统方法。
因此,调频连续波(FMCW)毫米波雷达技术受到越来越多的关注。它使用短波长信号可以检测亚毫米级的物体。尽管雨天,雾天,灰尘和雪等恶劣的环境条件,它也可以渗透塑料,干式墙和衣服等材料,同时保持其高水平的性能。
毫米波能量的束紧光束可以聚焦和操纵,以提供高度精确的物体检测并跟踪多个彼此靠近的物体。
毫米波技术如何工作
尽管毫米波雷达信号处理的细节不在本文讨论范围之内,但检测原理是基于一个熟悉的概念,其中涉及物体反射能量。在线性FMCW雷达中,这种能量是毫米波音调,称为线性调频脉冲,其频率随时间线性变化。雷达系统生成并发送a声后,会检测到从近距离物体反射的chi声信号并将其传递到混频器。混频器将RX和TX信号合并以产生中频(IF)信号。
线性调频传输与反射信号检测之间的延迟用于计算雷达系统天线与物体之间的距离。如果雷达系统在单个观察窗口或帧中生成多个线性调频脉冲,它可以通过测量相应的反射线性调频脉冲的相位差来确定物体的速度。如果使用了多个接收器,则雷达系统还可以确定雷达系统与物体之间的相对到达角(AoA)。使用这些相同原理进行更复杂的计算,高性能雷达系统可以跟踪以不同速度和轨迹运动的多个目标。
能够执行这些操作的系统设计结合了RF,模拟和数字子系统(图1)。作为系统输出信号链的一部分,RF信号合成器会产生线性调频信号进行传输。在系统输入信号链的第一阶段,RF混频器将生成的线性调频脉冲与反射的线性调频脉冲相结合,以产生IF信号。作为后续模拟阶段的一部分,低通滤波器和模数转换器(ADC)使用快速傅里叶变换(FFT)和其他算法生成数字数据流,以进行信号处理。
典型的毫米波调频连续波(FMCW)雷达设计图
图1:典型的毫米波调频连续波(FMCW)雷达设计依赖于紧密集成的RF,模拟和数字子系统,以传输精确控制的能量脉冲,称为线性调频脉冲,并处理反射信号以分辨范围,速度,下档物体的相对角度。 (图片来源:德州仪器)
尽管此基本体系结构适用于典型的FMCW雷达系统,但其设计细节取决于最大检测范围,范围分辨率,角度分辨率等的应用级别要求。例如,最大检测范围与IF成正比,与频率斜率成反比。因此,诸如汽车自适应巡航控制的远程应用需要一种能够支持高IF并产生具有快速扫频时间的线性调频的设计。
寻求优化雷达性能的设计人员还必须处理许多设计特征,包括TX输出功率,RX灵敏度和噪声系数,天线TX和RX增益分布几何形状以及反射信号的信噪比。而且,每个应用程序都具有其独特的因素组合,从而为开发人员提供了一系列相互依赖的复杂需求。
德州仪器(TI)借助其mmWave平台,使设计人员摆脱了雷达系统设计和配置的许多挑战。
单芯片毫米波解决方案
德州仪器(TI)的毫米波解决方案结合了mmWave IC和全面的软件环境,可以大大简化基于毫米波的运动检测器应用的实现。包括德州仪器(TI)IWR1443和IWR1642在内的工业mmWave设备集成了生成,发送,接收和处理FMCW雷达信号所需的全套RF,模拟和数字子系统。这些设备将类似的RF /模拟前端与复杂的数字子系统结合在一起(图2)。在这种前端架构内,这些设备集成了完整的FMCW 76至81 GHz频段的收发器子系统,具有四个专用的RX信号路径和多个TX通道(IWR1443中的三个和IWR1642中的两个)。
图2:德州仪器(TI)IWR1443和IWR1642 毫米波设备建立在相似的前端架构上,提供四个独立的RX通道和多个TX通道,其中IWR1443中的三个和IWR1642中的两个。 (图片来源:Digi-Key Electronics,使用德州仪器的原始资料)
对于它们的数字子系统,两个设备都集成了Arm®Cortex®-R4F处理器内核,该内核在主控制系统中充当设备主机,负责设备外围设备,固件更新,引导和其他主机功能。使用其集成的ROM和程序/数据存储器,该主控制系统在使TI mmWave设备在较大的系统设计中自主运行方面起着主要作用。
对于它们的集成雷达处理子系统,这两种设备都使用围绕128位200兆赫兹(MHz)总线构建的相似架构,该架构可在共享内存资源(包括ADC缓冲区,雷达L3数据内存,高速缓存和用于以下用途的内存)之间提供高速吞吐量。与主控制系统主机的通信。与该总线相连的增强型DMA(EDMA)模块提供了独立于处理器的传输,以加快通过处理管道各个阶段的数据传输。
对于其雷达信号处理子系统,IWR1443和IWR1642使用两种不同的方法。 IWR1443包括专门设计的加速器,旨在加速FFT计算和雷达信号处理基础的其他计算(图3)。此外,单独的Arm Cortex-R4F处理器(雷达系统)用作前端配置,雷达子系统控制和校准的专用主机。
图3:德州仪器(TI)IWR1443 mmWave器件与RF和模拟前端一起集成了一个数字子系统,该子系统包括一个基于Arm Cortex-R4F的主控制系统,一个单独的基于Arm Cortex-R4F的RADAR系统以及一个FFT 加速器加快雷达信号处理速度。 (图片来源:德州仪器)
对于其雷达信号处理器,IWR1642集成了德州仪器(TI)C674x数字信号处理器(DSP)内核(图4)。 IWR1642 DSP是专为FMCW信号处理而设计的,以600 MHz时钟运行,并由32 KB L1程序(L1P)和数据(L1d)高速缓存支持,以及256 KB统一程序/数据L2高速缓存,以加快DSP的运行速度。 如有必要,开发人员可以严格使用IWR1642作为雷达信号处理器。
图4:德州仪器(TI)IWR1443 mmWave器件与RF /模拟前端一起集成了一个数字子系统,该子系统包括一个Arm Cortex-R4F作为主处理器以及一个德州仪器(TI)C674x数字信号处理(DSP)内核,用于雷达信号处理。 (图片来源:德州仪器)
内置在主控制和雷达子系统中的硬件在环(HIL)模块允许开发人员使用设备的数据修改模块(DMM)输入端口绕过RF前端,并将原始雷达数据加载到IWR1642中,以用于信号处理。
雷达信号处理链
尽管选择IWR1443的硬件加速器还是IWR1642的C674x DSP内核取决于每个应用程序的独特要求,但是对于大多数开发人员而言,所选设备在应用程序中的操作将基本透明。在德州仪器(TI)mmWave解决方案架构中,TI mmWave软件环境可以使用任一设备的资源来执行称为数据处理单元(DPU)的功能模块,这些模块负责通常在雷达信号处理中使用的各个数据转换。在TI mmWave DPU中,核心功能包括:
范围FFT:在活动帧内的采集周期内读取线性调频数据,以生成用于范围计算的一维FFT,并生成雷达数据立方体。这是存储在专用L3雷达数据存储器中的距离,线性调频和天线数据的三维(3D)矩阵。
去除静态杂波:从样本集中减去样本的平均值。
多普勒FFT:执行2D FFT计算以精炼帧之间的雷达立方体数据,并生成雷达目标检测算法使用的检测矩阵。
CFAR:这将执行常用于对象检测的恒定误报率(CFAR)算法。
CFAR单元平均:这将AoA与CFAR模块结合在一起,以实现雷达系统常用的CFAR单元平均(CFAR-CA)算法,以针对噪声背景检测物体。
用于群集,组跟踪和分类的其他DPU提供了针对雷达信号数据的特定于应用程序的进一步改进。
使用TI mmWave软件开发工具包(SDK),开发人员可以使用对数据路径管理器(DPM)应用程序编程接口(API)的调用,将不同的DPU组合到所需的检测(或数据)处理链(DPC)中。例如,实现DPC进行对象检测(图5)仅需要几个基本调用,如Texas Instruments mmWave SDK发行版(清单1)中包含的示例代码所示。
图5:典型的目标检测处理链结合了单独的数据处理单元(DPU),这些数据处理单元执行雷达信号处理功能,例如在采集周期内进行距离FFT计算,以及在帧间周期内进行其他数据转换。 (图片来源:德州仪器)
for(i = 0; i < RL_MAX_SUBFRAMES; i++)
{
subFrmObj = &objDetObj->subFrameObj[i];
subFrmObj->dpuRangeObj = DPU_RangeProcHWA_init(&rangeInitParams, errCode);
if (*errCode != 0)
{
goto exit;
}
subFrmObj->dpuStaticClutterObj = DPU_StaticClutterProc_init(errCode);
if (*errCode != 0)
{
goto exit;
}
subFrmObj->dpuCFARCAObj = DPU_CFARCAProcHWA_init(&cfarInitParams, errCode);
if (*errCode != 0)
{
goto exit;
}
subFrmObj->dpuDopplerObj = DPU_DopplerProcHWA_init(&dopplerInitParams, errCode);
if (*errCode != 0)
{
goto exit;
}
subFrmObj->dpuAoAObj = DPU_AoAProcHWA_init(&aoaInitParams, errCode);
if (*errCode != 0)
{
goto exit;
}
}
清单1:包含在Texas Instruments mmWave SDK发行版中的示例代码,如此代码段,说明了通过向ObjDetObj结构中添加一组DPU来创建DPC的基本设计模式。 (代码来源:德州仪器)
分层软件环境中的软件服务使用DSP子系统(DSS),主子系统(MSS)和加速器或两者的组合自动实现DPU(图6)。 在应用程序级别,开发人员使用mmWave API从完全配置的DPC访问DPU结果,或通过mmWaveLink API直接访问mmWave前端。
图6:德州仪器(TI)mmWave环境提供了多个应用程序编程接口(API),这些接口可隐藏雷达系统操作的详细信息,从而简化运动检测应用程序的开发。 (图片来源:德州仪器)
对于特定应用,mmWaveLink提供的一项关键服务是内部雷达定时引擎的配置,该引擎会生成FMCW线性调频脉冲和线性调频脉冲帧。如前所述,线性调频和线性调频帧特性决定了对象检测性能,但是实际的限制意味着对某些性能设置的选择会在其他设置中产生限制。
例如,由于最大检测范围与频率斜率成反比,因此需要远程检测的开发人员需要使频率斜率最小。这样做会影响线性调频扫频的带宽,导致分辨率降低,因为检测范围的分辨率与该带宽特性成正比。实际上,优化的线性调频和线性调频帧操作规范是雷达设计的关键因素,要求开发人员平衡多种线性调频特性(图7)。
图7:对象检测范围和分辨率主要取决于传输的线性调频脉冲的特性,要求开发人员仔细优化线性调频脉冲发生器配置中的设置。 (图片来源:德州仪器)
除了提供用于评估线性调频设置的在线mmWave传感估算器工具外,德州仪器(TI)在其mmWave传感器的工业工具箱中还针对特定用例提供了广泛的线性调频数据库以及推荐的线性调频配置。开发人员可以找到涵盖从高分辨率手势识别到远程交通监控的应用的参考设计和示例代码。基于mmWave BoosterPacks构建的示例应用程序使开发人员可以快速评估mmWave性能,并为自己的自定义应用程序扩展参考设计。例如,要评估手势控制,开发人员可以将IWR1443 BoosterPack(IWR1443BOOST)评估模块(EVM)连接到其Windows PC上的USB连接,上传预构建的固件,并探索检测复杂的手势,例如手指旋转(图8)。
图8:使用德州仪器(TI)IWR1443BOOST EVM和可用的示例代码,开发人员可以探索mmWave技术在动态高分辨率手势识别方面的应用,例如使用旋转手指控制成像系统。 (图片来源:德州仪器)
对于手势识别,IWR1443BOOST EVM可以用作唯一的硬件平台。 在其他示例中,德州仪器(TI)演示了mmWave BoosterPack及其LaunchPad开发套件的组合使用。 例如,人员跟踪应用程序将IWR1642BOOST EVM与LAUNCHXLCC1352R1无线MCU LaunchPad结合在一起,以演示对远程部署雷达系统中人员的检测和跟踪。 该参考设计展示了不同线性调频设置对扩展最大范围的影响,但以分辨率为代价(图9)。
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Parameter | Case-1, 6m (MIMO), Conference Room | Case-2, 5m (MIMO), Elevator | Case-2, 14m (MIMO), Office Space | Case-4, 14m (MIMO), Hallway | Case-5, 50m (MIMO), Outdoor |
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Device Type | IWR1642 | IWR1642 | IWR1642 | IWR1642 | IWR1642 |
Maximum range (m) | 5.6 | 5.6 | 14 | 14 | 50 |
Range resolution (m) | 0.049 | 0.049 | 0.12 | 0.12 | 0.49 |
Maximum velocity (km/h) | 19.057 | 19.057 | 18.9 | 18.9 | 28.06 |
Velocity resolution (km/h) | 0.297 | 0.297 | 0.297 | 0.297 | 0.449 |
Total Sweep Bandwidth (MHz) | 3061.22 | 3720 | 1250 | 1250 | 361.3 |
Update rate (Hz) | 20 | 20 | 20 | 20 | 30 |
Radar Cube Size (KB) | 512 | 512 | 512 | 512 | 512 |
Processing Chain | People Counting | People Counting | People Counting | People Counting | Traffic Monitoring |
图9:一个示例性的Texas Instruments mmWave应用程序提供了多种线性调频配置,使开发人员能够研究线性调频特性与检测性能之间的关系。 (图片来源:德州仪器)
结论
毫米波技术提供的范围和精度优势远远超过了早期方法所能达到的优势。 但是,对于开发人员而言,硬件和软件方面的多重挑战限制了该技术的部署。 德州仪器(TI)提供的mmWave设备,开发工具和全面的软件环境大大降低了使用mmWave技术实施复杂的对象检测和跟踪应用程序的障碍。