毫米波雷達數據無線采集與處理系統設計

曾倩科，賈云飛，張 珊，張佳慶

（1.南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094；2.晉西工業集團有限責任公司，山西忻州 030000）

近些年，對于無人機障礙物檢測的技術要求越來越高，傳統的雷達檢測手段已經無法勝任對高速運動物體的檢測工作，所以開始研究與發展將性能更高的毫米波雷達作為無人機障礙物檢測的前端[1]。在這種趨勢的推動下，全世界的科研人員開始關注毫米波雷達這個新興的技術。毫米波雷達是指發射毫米波的雷達[2]，毫米波雷達同時具有微波制導和光電制導兩大優點，一躍成為近些年來研究的熱點[3]。2017 年，德州儀器Texas Instruments（TI）首次發布用于汽車和工業領域的毫米波雷達芯片，將毫米波雷達集成到一塊芯片上。但由于新一代毫米波雷達出現時間短、技術復雜等，因此毫米波雷達采集板卡主要從國外進口[4]，同時采集板卡造價過于昂貴，且作為單獨設備使用時不利于攜帶，也無法滿足無人機等小型化雷達系統的需求。毫米波雷達的數據量大、數據處理速度要求高，因此如何快速準確可靠地讀取數據并解析是其難點[5]。

目前有基于單片機ARM 的數據采集系統[6]、基于DSP 的雷達采集系統[7]，也有基于FPGA 的雷達采集系統[8]，但是它們都是通過串口或者SPI 等其他的有線連接方式進行數據傳輸，使用十分不方便，且不能遠距離傳輸。對于毫米波雷達系統在無人機等方向上的應用，無線數據采集是必不可少的。

基于上述一些問題，利用STM32F103C8T6、ESP-12F WiFi 芯片和Matlab App Designer，設計了一種可以進行無線快速采集雷達數據的采集系統，以實現毫米波雷達數據的快速準確可靠采集與解析。

1 系統的總體設計

系統主要由數據采集模塊、數據傳輸模塊和數據處理模塊組成。系統的總體結構設計如圖1所示。

圖1 系統的總體結構設計圖

數據采集模塊主要包括IWR1642 BOOST 開發板、5 V-2 A 大電流電池。

數據傳輸模塊主要包括STM32F103C8T6 MCU控制器、ESP-12F WiFi模塊。

數據處理模塊主要包括一臺具有無線或者有線網卡的PC 機，并裝有Matlab 軟件。

2 系統主要模塊設計

數據采集模塊負責毫米波雷達數據的快速采集，數據傳輸模塊負責毫米波雷達數據的快速傳輸，數據處理模塊負責毫米波雷達數據的快速解析與顯示。

2.1 數據采集模塊設計

數據采集模塊主要由TI 公司提供的IWR1642毫米波雷達開發板和一塊5 V-2 A 大電流電池組成。將雷達的配置文件和程序一起燒寫在IWR1642芯片的FLASH 中，使得IWR1642 毫米波雷達開發板上電就可發送毫米波，并接收多普勒回波數據。

2.1.1 毫米波雷達的原理

毫米波雷達可以分為脈沖雷達和連續波雷達[9]，其中連續波雷達分類較多。該系統測試使用的IWR1642 毫米波雷達芯片就是一種線性調頻連續波（Linear Frequency Modulation Continuous Wave，LFMCW)毫米波雷達。連續波雷達系統工作時，首先由合成器產生一個特定波形的雷達發射信號，該雷達發射信號進入兩條線路，一條經由雷達發射天線發射；另一條直接進入混頻器中，兩組信號完全相同[10]。當從發射天線中發射的雷達發射信號碰到物體時，會發生反射，從而被另一根雷達接收天線接收，此時便完成了一輪信號的發射和接收工作。信號的發射接收工作完成后，由混頻器將發射信號和接收信號合并到一起，產生一個新信號[11]。

2.1.2 IWR1642 毫米波雷達傳感器原理

該系統的數據采集模塊主要采用的是TI 公司的IWR1642 BOOST。IWR1642 毫米波芯片是一款能夠在76～81 GHz 頻帶中運行且基于FMCW 雷達技術的集成式單芯片毫米波傳感器[12]。

IWR1642 可以發射高達4 GHz 的連續線性調頻脈沖（LFMCW）。該器件采用TI 的低功耗45 nm RFCMOS 工藝構建，并且該解決方案在極小的封裝中實現了前所未有的集成度[13]。

IWR1642 包含一個具有內置PLL 和模數轉換器的單片實時2 發送4 接收的系統。IWR1642 還集成了DSP 子系統，該DSP 子系統包含TI 用于雷達信號處理的高性能C674x DSP，該器件包含一個基于ARM R4F 的處理器子系統，該子系統負責前端配置、控制和校準[14]。同時該芯片還有CAN 接口、SPI接口、UART 接口與外界進行通信，因此，IWR1642 BOOST 完全可以用于文中系統的數據采集。

2.2 數據傳輸模塊的設計

數據傳輸模塊主要由意法半導體STMicroelectronics(ST)公司的STM32F103C8T6 MCU 控制器和安信可科技公司的ESP8266 WiFi芯片組成。

在IWR1642 毫米波開發板采集到數據之后，STM32F103C8T6 通過串口2 讀取雷達數據，然后通過終端將數據復制到串口3，串口3 又與ESP-12F 相連，將雷達數據通過WiFi 發送出去。數據傳輸模塊設計如圖2 所示。

圖2 數據傳輸模塊設計圖

STM32F103C8T6 是一款基于ARM Cortex-M 內核STM32 系列的32 位微控制器，程序存儲器容量是64 kB，需要電壓范圍為2～3.6 V，工作溫度為-40～85 °C[15]。系統時鐘頻率是72 MHz，包含3 路USART串口。串口1 與IWR1642 的雷達數據配置串口相連，串口2 與IWR1642 的雷達數據發送串口相連，串口3 與ESP-12F 的接收串口相連。

ESP-12F 模塊是一款由安信可科技開發的WiFi模塊，該模塊核心處理器為ESP8266，在較小尺寸封裝中集成了業界領先的Tensilica L106 超低功耗32 位微型MCU，且帶有16 位精簡模式，主頻支持80 MHz和160 MHz，支持RTOS，集成Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA[16]。ESP8266是高性能無線SoC，以最低成本提供最大實用性，為WiFi功能嵌入其他系統提供可能。ESP8266 系統的整體電路設計如圖3所示。

圖3 ESP-12F系統整體電路設計圖

ESP-12F 的系統整體電路參考該數據手冊的電路圖，在UART 輸入輸出部分設計二極管保護電路，電源供電部分利用SY8120 電源轉換芯片將5 V 轉成3.3 V，轉換成功之后LED 燈會點亮。該電路的優點是可以使輸出電流達到2 A 的大電流。通過P6 排針將ESP_VIN、GND、TXD0、RXD0、REST、GPIO_0 引腳引出，方便燒寫AT 指定固件。利用P1、P2 排針將ESP-12F 的輸入輸出引腳引出，并利用跳線帽決定它是否與STM32MCU 的串口相連。

STM32F103C8T6最小系統整體設計如圖4所示。

圖4 STM32F103C8T6最小系統整體設計圖

該系統的STM32F103C8T6最小系統的設計可靠且靈活，采用SP6203_3.3 電源轉換芯片將+5 V 轉化成+3.3 V，且轉換成功之后會有LED 燈點亮顯示。該系統引出SWO 程序燒錄下載口，晶振的濾波電路采用Π型濾波，設計復位開關用于程序的復位，即在程序運行過程中出現系統卡死時可以復位重啟。在STM32F103C8T6 主控芯片的電源引腳周圍放置濾波電容，用于濾波。為了可以修改STM32F103C8T6 主控芯片的啟動方式，將BOOT0 與BOOT1 引腳引出。

在STM32F103C8T6 最小系統整體設計中將串口1 接毫米波的配置接口，串口2 接毫米波的數據接口，串口3 接WiFi 接口。將數據傳輸系統用到的三個串口都用排針引出，方便后續系統調試。

2.3 數據處理模塊設計

毫米波雷達數據在被數據采集模塊采集到并經過數據傳輸模塊傳輸到計算機之后，計算機開始處理毫米波雷達數據。

2.3.1 數據處理算法

計算機接收到的雷達數據屬于原始雷達數據。計算機先判斷該數據是否是有效的點云數據，若是，則根據TVL 格式進一步解析出雷達數據中包含的范圍方位角、多普勒、信噪比、X軸位置、Y軸位置、X軸速度、Y軸速度、X軸加速度、Y軸加速度等信息，然后保存并顯示出來。毫米波雷達數據處理的算法流程如圖5 所示。

圖5 毫米波雷達數據處理的算法流程圖

2.3.2 數據處理的上位機說明

由于數據量大，且需要快速處理，所以用Matlab對數據進行動態實時分析[17]。為了方便人機交互，用Matlab App Designer 為該系統編寫了一套雷達數據快速接收與處理的上位機。Matlab 中可以接收WiFi傳回的數據，并實時解析顯示雷達的有效信息。

在“WiFi連接”面板中首先選擇“協議類型”，選擇“TCP Client”類型，然后在“IP地址”中輸入對應的IP地址，默認的IP 地址為“192.168.29.240”，最后在“端口號”中輸入對應的端口號，默認值為“8080”，然后點擊“開始”按鈕。如果連接成功，燈會變紅。實時接收WiFi 傳回來的原始雷達數據，然后將范圍、方位角、多普勒、信噪比、X軸位置、Y軸位置、X軸速度、Y軸速度、X軸加速度、Y軸加速度等信息顯示出來。數據可以實現實時保存，還可以將處理后的數據保存下來。

3 數據接收與處理

3.1 數據幀格式的解析

TI 的毫米波雷達數據采用TLV 格式進行存儲與傳輸。雷達每幀都會發送一個數據包，而每個數據包又有7 個不同的數據結構，如圖6 所示。

圖6 數據包格式

其中，Frame Header 表示幀頭。TLV 表示Type+Length+Value(類型+長度+值)。

雷達數據由幀頭和TLV 數據組成，其中TLV 一共有三種數據分類，分別是Point Cloud TLV、Target List TLV 和Target index TLV，它們分別代表了三種類別的數據，即2D 點云數據、目標列表數據、目標索引值數據。

每次數據的傳輸都以Frame Header 作為傳輸的開始，Frame Header共有52 個字節長度。

幀頭結構體中包含了很多成員，這些成員所包含的物理意義依次為同步模式、SDK 版本類型、毫米波雷達板的平臺、傳輸時間、數據包的長度、雷達數據的幀數、雷達數據的子幀數、啁啾處理幅度、幀幅度、串口發送時間、軌跡處理時間、TLV 數據數量、校驗和。其中關鍵的成員是“sync(同步模式)”，因為“同步模式”可以用來判斷雷達數據是否有效。“同步模式”的固定數據是“02 01 04 03 06 05 08 07”。只有以“同步模式”為開始的每幀雷達數據傳輸，才是有效的數據傳輸，其他情況是無效數據傳輸。因此，在數據處理中，檢測“同步模式”所在的位置很重要。

在幀頭之后的第一組TLV 數據就是2D 點云數據(Point Cloud TLV)。2D 點云數據包括檢測范圍、方位角、多普勒效應和信噪比。2D 點云數據中的T1固定以十六進制的“0x06 0x00 0x00 0x00”表示。2D 點云數據中L1(長度)的大小和被測對象的數量有關，公式為：

其中，a1是TLV 幀頭結構體的大小，固定是8，b是2D 點云數據的結構體的大小，固定是16，x1是點的個數。

在2D 點云數據之后的一組TLV 數據是目標列表數據。目標列表數據格式包括軌跡ID、X軸的位置、Y軸的位置、X軸的速度、Y軸的速度、X軸的加速度、Y軸的加速度、誤差協方差矩陣和控制函數。目標列表數據中的T2固定以十六進制的“0x07 0x00 0x00 0x00”表示。目標列表數據中L2(長度)的大小和被測對象的數量有關，公式為：

其中，a2是TLV 幀頭結構體的大小，固定是8，c是目標列表數據的結構體的大小，固定是68，x2是點的個數。

最后一組TLV 格式的數據是目標索引值數據。目標索引值數據中的V(有效值)是目標ID號，該值用來判斷該點是否是有效數據點。有效值在[0，249]之間，超出的值就是無效的值，說明該點是無效的點。目標索引值數據中的T3固定以十六進制的“0x08 0x00 0x00 0x00”表示。目標索引值數據中L3(長度)的大小和被測對象的數量有關，公式為：

其中，a3是TLV 幀頭結構體的大小，固定是8，x3是點的個數。

3.2 數據處理

針對以上數據格式，用Matlab 軟件編寫了一套數據快速采集的算法。毫米波雷達數據是以十六進制小端存儲在BOOST 上的SDRAM 中的。雷達數據處理方法是先將十六進制的數據轉化成十進制，然后通過typecast函數得到各個參數的具體值。由于在新版Matlab 中，如果數據以十六進制存儲在矩陣中，數據輸出時會自動以十進制輸出，因此就不用人為地將十六進制轉化成十進制，所以該系統使用Matlab App Designer 編寫上位機進行數據處理。

4 實驗環境搭建及結果顯示

實驗環境示意與實驗測試的現場圖如圖7所示。

圖7 實驗環境示意與實驗測試的現場圖

根據實驗要求，將毫米波雷達數據快速采集系統以一定的傾角固定在支架上，之后將依據TLV 格式數據編寫的毫米波雷達程序和雷達的基本配置燒寫到IWR1642 中，運行程序，之后被測人員在雷達測試區域內運動，以產生目標測試信號，從而得到毫米波雷達的點云數據。然后利用Matlab App Designer 專門為該系統編寫的一套上位機對數據進行解析，并將原始數據和解析后的數據分別保存在計算機中。

為了表達清晰，將實驗結果繪制成表。實驗結果中的各個參數如表1 所示。

表1 實驗結果

數據表明，被測人員在相對于毫米波雷達測試系統的正前方1.954 3 m，相對于測試系統的偏移角度是-0.294 5 rad，在X軸距離是-0.9 m，Y軸距離是3.093 8 m，同時由于該測試時期的被測人員并未移動，所以X軸、Y軸方向的速度和加速度均為0。這些實驗測試數據均與實際情況相符合，因此說明該系統的可靠性與可信性。

5 結論

文中提出了一套基于STM32F103C8T6 和ESP-12F 的毫米波雷達數據無線采集系統設計。該系統利用PC 端的Matlab App Designer 設計了一套上位機，作為數據處理模塊，以STM32F103C8T6 芯片和ESP-12 WiFi 模塊作為數據傳輸模塊，以IWR1642毫米波雷達設備和供電系統作為數據采集模塊。利用數據傳輸模塊與數據采集模塊以獲得毫米波雷達數據，然后發送給數據處理模塊進行數據解析處理。該系統擺脫了毫米波雷達數據有線傳輸的束縛，將毫米波雷達數據直接通過WiFi 傳輸到上位機中，為后續的毫米波雷達數據處理算法提供一套穩定可靠的雷達數據采集系統。文中研究的雷達數據處理系統可延展性高，易于安裝和使用，方便拓展毫米波雷達的應用場景，具有較高的實際使用價值。