一種雙CPU主從式毫米波雷達系統

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(1.國網山東省電力公司電力科學研究院， 山東濟南 250003；2.國網山東省電力公司， 山東濟南 250001；3.山東魯能智能技術有限公司， 山東濟南 250101)

0 引言

我國國土遼闊，人口數量居世界首位，為了保障人民群眾的安全用電，電力設施建設發展迅速。根據統計資料，2012年底，全國35 kV及以上輸電線路回路長度達到102.1×104km，居世界第一；2016年底，我國35 kV及以上輸電線路總里程達到175.6×104km，增幅達到72%。當前，我國已經成為世界電網發展的絕對引領者。電網規模增長與運檢人員配置的矛盾日益突出，如贛西供電公司輸電班組人均運維線路長度42.5 km，嚴格按照輸電線路狀態巡視周期要求，要完成巡視任務，每個班組每個月平均耗時需28個工作日，狀態巡視難以按周期完成[1]。

目前，國網公司正逐步采用無人機技術來提高架空輸電線路的運行效率和質量，無人機已成為電網巡檢的重要技術手段。無人機作業的優點是在無需拉閘斷電的情況下，即可對輸電線路進行近距離檢測。與傳統人工巡線方式相比，該技術不僅能大幅度提高工作效率，有效保障巡線作業人員的人身安全，降低巡線成本，而且還能大大縮短系統反應時間[2]。據美國相關機構統計，每10 000 h飛行任務中，經常低空作業的直升機平均會發生10次事故，而高空飛行的固定翼飛機僅為大約0.3。飛控手在地面對無人機進行遙控操作，僅僅通過飛控手肉眼觀察，很難從根本上解決無人機撞機電力線等障礙物。為了提高無人機的防撞性能，需要增強無人機感知障礙物與及時避讓障礙物的能力。

電力巡檢無人機作業環境復雜，為避免無人機飛行中碰撞障礙物或線路，確保飛行安全，必須要考慮無人機自動檢測障礙物并避讓的技術[3]。目前，用于無人機避障的技術手段主要有光學探測器、紅外探測器、激光雷達和毫米波雷達[4]。光學探測器基于視覺基礎探測目標，天氣因素對探測效果影響很大，環境光線過強會大大減弱光學傳感器的探測距離，霧天、霧霾天氣下由于空氣中漂浮微小顆粒物，會阻礙光線傳播，從而使光學傳感器性能大幅度降低。紅外探測器價格便宜，實現原理簡單，但測量距離近，方向性較差，并且容易受到太陽光的干擾。激光雷達測量的準確性和測距的精度高，但雨霧天氣對它的測距會有影響，在沙塵天氣中無法使用。毫米波雷達成本低，測量距離比紅外探測器大，毫米波波長大于光波，可以繞過空氣中的霧粒，雖然精度略低于光學傳感器，但能滿足無人機的避障精度要求，是唯一一種可滿足無人機全天候工作要求的避障傳感器。

1 毫米波雷達測距原理

毫米波雷達測距可分為發射、接收、處理三部分。連續調頻毫米波信號通過發射天線發出，電磁波遇到障礙物以后會反射回來，之后被雷達接收天線接收，雷達接收機把接收到的回波信號和參考信號混頻，從而得到一個差頻信號，把差頻信號進行放大、濾波等處理后，通過采樣變為數字基帶信號，把數字信號進行FFT頻譜分析后，就可以提取出目標的距離信息，如圖1所示。

去斜率處理方法的原理如圖2所示，其基本原理是采用與發射信號相同的線性調頻信號作為本振信號，與目標回波信號進行差拍處理。毫米波在n個發射周期的發射信號復數形式可以表示為

(1)

t=0時，假設有一個距離為R的點目標徑向速度為v，第n個調制周期的接收信號可以表示為

(2)

(3)

(4)

對差拍信號進行傅里葉變換，得到其頻譜：

(5)

化簡后計算出正單邊譜：

(6)

(7)

假設點目標在靜止狀態時的差頻信號表示為

(8)

式中,τ0=2R/c。差頻頻率為

(9)

由式(9)可得差頻頻率fb和距離R成正比關系[5]，所以傅里葉變換后頻率為f1的譜線對應的目標距離為

R1=f1cτ/2B

(10)

2 基于DSP28335/STM320F103的毫米波雷達系統設計

主處理器選擇TI公司設計的TMS320F28335，這是業界首款浮點數字信號控制器，具有150 MHz的高速處理能力，具備32 bit浮點處理器，6個DMA通道支持ADC，McBSP和EMIF,有多達18路的PWM輸出，其中6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)。系統采用主從設計，DSP28335與STM32F103通過雙口RAM實現數據共享，STM32F103在系統功能上負責控制毫米波雷達的發射、外接LCD顯示屏的顯示，以及對外通信接口的控制，可以通過通信指令對雷達進行參數設置，外接顯示屏用于實時顯示與當前參數查詢。DSP28335則充分節省資源，用于進行回波信號的處理計算，最終獲得距離信息，之后將距離信息存儲于雙口RAM中，STM32F103通過雙口RAM獲得距離信息并用于LCD屏幕顯示與串口距離信息的發送。

如圖3所示，在功能劃分上，DSP28335僅用于回波信號經功率放大、濾波、A/D轉換后的數據處理，由于運算量較大，盡可能地節約DSP28335的片內資源，障礙物的距離信息最終在DSP28335中運算獲得，之后通過操作地址總線與數據總線存儲于雙口RAM中。STM32F103相對于DSP28335運算能力較差，因此在該系統中分配為LCD顯示、串口通信、參數儲存、信號發射等對運算速度要求相對較低的功能。目標的距離信息在DSP28335存儲到雙口RAM后，STM32F103可以實時獲取該輸入值，雙口RAM可供DSP28335與STM32F103同時讀寫，方便快捷。

如圖4所示，STM32F103控制壓控振蕩器產生本振信號，之后經過功分器、倍頻器產生兩路相同的發射波，其中一路作為本振信號用于接收電路比較，另一路則經過功率放大通過發射天線發射。其中VCO選型芯片為TGV2240，經測試該芯片在18.640～19.040 GHz之間線性度最高。倍頻器芯片選型為HMC579，該芯片是ADI公司研制的一款寬帶有源倍頻器，采用GaAs PHEMT技術。由3 dBm信號驅動時，該倍頻器提供13 dBm的典型輸出功率，在32～46 GHz的頻率下工作。功率放大器選擇TriQuint公司的TGA4522芯片，這是一款性能優良的商用MMIC放大芯片，采用0.15 μm pHEMT技術工藝，能在33～47 GHz頻率范圍內實現15 dB以上的增益。

圖5為毫米波雷達接收模塊的組成，其中低噪放大器管芯采用XL1000芯片，該芯片具有噪聲低、增益高的特點；混頻器選用Hittite公司的HMC329管芯，尺寸僅為0.85 mm×0.55 mm，是一款高性能寬帶雙平衡混頻管芯。

3 程序處理

該系統為雙CPU處理系統，DSP28335與STM32F103均需一套程序獨立運行，二者的合理配合是整體系統性能優秀的保障。程序處理流程如圖6所示。

系統程序運行方式如圖6所示，系統上電以后，兩個CPU系統進行初始化，STM32系統進行系統參數的調取，并進行相應配置，隨時監控是否有外部數據請求，并負責發射毫米波信號。同時，以DSP28335為主的單片機系統進行毫米波信號的接收處理，最終計算出距離信息存儲于雙口RAM中，供STM32進行調取。

4 結束語

由電力線所引起的無人直升機事故頻頻發生， 因而確保無人機飛行安全一個很重要的方面就是對電力線的檢測[6]，無人機避障技術的應用是無人機安全巡檢輸電線路的保證。毫米波雷達系統能滿足無人機避障全天候的工作要求，在成本和通用性上優于其他避障技術。本文的創新點在于將調頻連續波應用于無人機避障雷達，并通過雙CPU主從搭配架構設計，主CPU最大程度保證回波信號的運算處理，從CPU負責人機交互與上位機通信，并可通過從機設置報警上限及其他系統參數，主從CPU通過雙口RAM進行數據共享，最大程度保證數據利用效率。