雷达物位计设计
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《工业控制计算机》2013 年第 26 卷第 7 期
53
粮油生产雷达物位计设计
Design of Radar Material Level Meter for Grain and Oil Producing
周 刚 苏宝平 （河南工业大学电气工程学院，河南 郑州 450001）
摘要 研究基于微波雷达测距的物位测量装置。 基于检测要求和硬件设备制定了系统参数。 采用单片机控制 DAC 产生雷达 收发器的调制信号。收发器输出经内部前置放大器放大的差拍信号。差拍信号经滤波放大通过电压过零比较器产生脉冲信 号，单片机中断和定时器相结合测出差拍信号频率。 在保证精度的前提下通过多周期求均值的方法确定有效频率值。 制定 了干扰排除算法以确定距离信息的有效性。 关键词：调频连续波雷达，料位，差拍信号，干扰剔除
统 ［J］． 煤 矿 安 全 ，2010 （3 ）：71－74
［2］王璐，周中阔，韩忠．基于 CAN 总线的煤矿液压支架压力监测系统设 计 ［J］． 煤 炭 技 术 ，2012 ，31 （1 ）：43－44
［3］刘日成，李金 海 ，徐 春 超．矿 用 液 压 支 架 压 力 监 测 系 统 在 综 采 工 作 面 的 应 用 ［J］． 煤 矿 安 全 ，2012 ，43 （6 ）：67－68
采用广州唯创电子的 WTV 系列集成语音芯片 WTV080 实 现语音提示和报警功能。 WTV080 为可编程的一次性烧录语音 芯片，其工作电压范围：2．5V 至 3．6V。 考虑到其驱动能力有限， 生产现场噪音较大，采用功放芯片 TDA2030 驱动 3W 的喇叭。 功率放大集成电路 TDA2030 上升速率高、瞬态互调失真小，输 出功率大，能达到 18W。 通过 100K 的电位器来调节输出音量， 保证语音不失真输出。 语音电路如图 3 所示。
［6］赵 智 民 ，崔 建 明．智 能 式 顶 板 压 力 监 测 系 统 ［J］．自 动 化 与 仪 器 仪 表 ， 2009（2）：63－65
［7］梁 培 峰 ，李 东 民 ，李 保 银 ． 基 于 红 外 通 信 的 低 功 耗 矿 用 数 字 压 力 计 ［J］． 煤 矿 安 全 ，2012 ，43 （1 ）：66－69
通过定时器和中断测得的信号频率， 过零比较器输出作为 中断信号触发外部中断，利用定时器测量中断间隔。
干扰排除： 测得的频率在
料位距离范围之外可以直接排
除，不予采用。 由于存在悬浮颗
粒， 料位下移抖动严重等因素，
可能产生假料位，需要连续多次
测量以确定距离信息。设计采用
多周期多段求平均值的算法排
除 此 类 干 扰 ：5 个 周 期 为 一 段 ，
100 个 周 期 的 波 形 ， 单 片 机 控
制调频开始和结束， 编程时设
置调频开始标志， 取其中五个
周期计时。 料位移动速度通常 小 于 0．5m ／ s， 设 定 三 段 15 个
图 4 抗干扰测距算法
周 期 分 别 在 15 个 锯 齿 波 内 （时 间 最 长 ），250Hz 调 频 频 率 下 料
单片机外围电路、语音播放电路和显示模块。 单 片 机 控 制 DAC
按照一定的斜率产生调制电压信号； 微波测距传感器模块输出
差拍信号，经过高通滤波器，滤掉调制信号及干扰和噪声，经自
动增益放大器放大滤波后进入过零比较器， 过零比较器输出脉
冲触发单片机外部中
断， 通过软件算法排除
干扰， 求出差拍信号频
率； 单片机控制语音芯
被测物体反射后产生回波， 混频器将入射波信号与回波信号混
频，产生频率为 f 的差拍信号，距离 R 与差拍频率 f 的关系如下：
R＝ C f
（1）
4fM B
式 （1）中 C 为 真 空 中 光 速 ，fM 为 调 频 周 期 ，B 为 发 射 信 号 调 频 带 宽［1］。
2 硬件电路设计
系统硬件电路包括电源模块、微波传感器、信号调理电路、
图 3 语音电路 3 软件设计 3．1 系统参数
IVS－179 雷 达 收 发 器 工 作 中 心 频 率 为 24GHz， 调 频 带 宽 250MHz，采用锯齿波调制方式。 粮油生产测量范围 2．5m～30m，据 此范围选取调频频率为 250Hz，调频周期 0．004s，测量精度 0．1m。 由以上参数计算可得：差拍信号频率范围为 2．08kHz～25kHz。 3．2 距离测量及干扰排除
片和功放芯片驱动扬声
器，播报料位信息，适时
发出警报提醒工作人员
注意。 系统组成框图如
图 1 硬件系统框图
图 1 所示。 2．1 IVS－179 雷达传感器及调制信号发生
IVS－179 是 Innosent 公司推出的 K－波 段 带 VCO 的 雷 达 收发器， 是一款应用十分广泛的窄波束雷达传感器。 可工作于 CW ／ FSK ／ FMCW 方式， 具有低噪声的 RF 和 IF 前置放大器，具 有独立的发射和接收路径。 工作于 FMCW 方式时其中心频率为 24GHz，发射机 输 出 功 率 为 20mW，采 用 5V 电 源 供 电 。 探 测 距 离达到 300m，调频带宽 250MHz，最大调制频率 150kHz。
该系统与传统的人工监测技术相比，具有检测精度高、稳定 性好，能够大大节省人力和时间。 与基于总线技术的矿压监测系 统相比，解决了井下布线的困难，具有安装灵活、使用方便等优 点。 另外本系统还可以通过更换传感器检测电路，实现对其他信 号量的检测，从而使整个系统应用更加灵活。
参考文献 ［1］尹洪胜，于宁宁，赵宗平，等．基于 CANopen 的煤矿压力在线监测 系
位在此段时间移动距离 0．03m，引起的测量误差在允许范围内。
4 结束语
基于微波雷达模块和测要求设置了系统工作参数；完成了基
于单片机和 IVS－179 微波雷达收发器的物位计电路设计和软件
设计。该物位计探测距离达 30m，满足粮油饲料生产要求。目前正
在试用阶段，系统运行稳定，误报率低，精度满足生产要求。
［8］陈斯，赵同彬，高建东，等．基于 ZigBee 的 综 采 工 作 面 顶 板 压 力 无 线 检 测 系 统 ［J］． 煤 矿 开 采 ，2011 ，16 （2 ）：107－109 ［收 稿 日 期 ：2013．3．6 ］
其调制幅度最大范围为 0．5V～10V。 根据测量范围和调谐曲 线选取调谐曲线中线性度最好的一段确定调制信号的调节范 围，确定调制信号范围为 2V～4V［2］。
调制信号由单片机控制 DAC 产生。 选用 TI 公司生产的 12 位 并口输入 DAC DAC7724，其具有 4 个可独立控制的通道，1MHz
在粮油饲料生产的很多场合， 需要对液体或粉末颗粒状的
固体物料的物位进行测量。 针对此类测量问题，目前出现了如超
声波、微波、压电式物位计等。 由于此类生产中存在浓度较高的
悬浮颗粒，超声波无法穿透浓度较高的悬浮颗粒，容易形成假料
位。 微波穿透能力强，不易受介质介电常数、浓度（密度）、压力和
温度影响，具有良好探测能力。 调频连续波雷达适合近距离高精
图 2 AGC 与滤波电路
54
粮油生产雷达物位计设计
转换速率，可直接输出电压信号作为雷达传感器的调制信号。 2．2 AGC 及滤波电路
雷达传感器输出的差拍信号需经高通滤波， 以滤掉调制信 号及其它干扰和噪声，同时对信号进一步放大。 根据测量距离和 调制频率选用采用 1．5kHz 的高通滤波器。
由于距离远近产生的回波信号幅值差别很大， 为保证后续 电路正常工作， 采用了自动增益控制。 AGC 电路由 AD603 组 成，AD603 是可变增益放大器，实现电压的精密控制［2］。 AD603 采用利用负反馈来提高增益的准确度。 将输出信号调整到一定 幅值,以便后续低通滤波器能够正常工作。 滤波与放大电路采用 了用低失调高精度电压运放芯片 OP－07，其具有极低 的 失 调 电 压，（25μV），开环增益高，温漂小。 电路如图 2 所示。 2．3 语音报警电路
先求出每段 5 个周期的距离平
均值，连续求取三段，三段距离
进行比较，如果各段距离相差在
允许范围内，则取三段的平均值
作为有效距离， 如相差较大，则
作为干扰信号排除， 重新测量。
算法流程如图 4 所示。
根据以上计算可知在每个
调 频 锯 齿 波 形 时 间 内 （0．004s，
忽略反射延时）差拍信号有 8－
wk.baidu.com
参考文献 ［1］周 刚 ，吴 杰 ，鲁 可．汽 车 防 撞 毫 米 波 雷 达 信 号 处 理 ［J］．计 算 机 测 量 与
控 制 ，2011 ，19 （7 ）：1656－1658 ［2］时 雨 ，赵 正 予 ，陈 曦．可 变 增 益 放 大 器 AD603 在 雷 达 系 统 中 的 应 用
［J］． 电 子 设 计 应 用 ，2005 （5 ）：22－24 ［3］ 张 兆 忠 ． 低 成 本 微 型 测 距 雷 达 设 计 ［J］． 现 代 电 子 技 术 ．2010 （15）：
［4］李忠奎，黄圆月，温良．基于 ZigBee 和 CAN 技 术 的 煤 矿 顶 板 动 态 监 测 系 统 设 计 ［J］．煤 矿 安 全 ，2012 ，42 （11 ）：54－57
［5］疏 礼 春．煤 矿 顶 板 动 态 在 线 监 测 系 统 ［J］．煤 矿 安 全 ，2012，43（10）： 92－96
度的测量，选择其作为物位计的实现方案。
1 FMCW 雷达测距原理
线性调频有锯齿波和三角波两种调制方式。 锯齿波调频可
以获得目标的距离信息， 而三角波调频则可以同时获得目标的
距离和速度信息。
FMCW 雷达主要由发射 管 、接 收 管 、混 频 管 和 天 线 构 成 ，信
号源采用全固态器件，发射管通过天线发射频率为 f 的入射波，经
Abstract The device for material level gauging based on microwave radar is studied．The system parameters are constituted based on detection request and hardware selected．DAC output modulation signal of radar under control of signal chip microcomputer．The amplified and filtrated beat signal enter zero voltage comparator,the frequency of pulse signal of comparator outputting is identified by signal chip microcomputer with its interrupt and timer．The accuracy frequency can be confirmed by average of multi－cycles．The algorithm for eliminating interference is formulated to assure the validity of distance measurement． Keywords:FMCW radar,material level,interference eliminating
168－170 ［收 稿 日 期 ：2013．4．22 ］
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（上接第 14 页） 时长可达到 79h，持续工作时间随着时间间隔的增加逐渐增 大 ， 在时间间隔大于 5min 后，持续工作时间基本没有发生变化。 因 此，时间间隔设定为 5min 为最佳状态。 5 结束语
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粮油生产雷达物位计设计
Design of Radar Material Level Meter for Grain and Oil Producing
周 刚 苏宝平 （河南工业大学电气工程学院，河南 郑州 450001）
摘要 研究基于微波雷达测距的物位测量装置。 基于检测要求和硬件设备制定了系统参数。 采用单片机控制 DAC 产生雷达 收发器的调制信号。收发器输出经内部前置放大器放大的差拍信号。差拍信号经滤波放大通过电压过零比较器产生脉冲信 号，单片机中断和定时器相结合测出差拍信号频率。 在保证精度的前提下通过多周期求均值的方法确定有效频率值。 制定 了干扰排除算法以确定距离信息的有效性。 关键词：调频连续波雷达，料位，差拍信号，干扰剔除
统 ［J］． 煤 矿 安 全 ，2010 （3 ）：71－74
［2］王璐，周中阔，韩忠．基于 CAN 总线的煤矿液压支架压力监测系统设 计 ［J］． 煤 炭 技 术 ，2012 ，31 （1 ）：43－44
［3］刘日成，李金 海 ，徐 春 超．矿 用 液 压 支 架 压 力 监 测 系 统 在 综 采 工 作 面 的 应 用 ［J］． 煤 矿 安 全 ，2012 ，43 （6 ）：67－68
采用广州唯创电子的 WTV 系列集成语音芯片 WTV080 实 现语音提示和报警功能。 WTV080 为可编程的一次性烧录语音 芯片，其工作电压范围：2．5V 至 3．6V。 考虑到其驱动能力有限， 生产现场噪音较大，采用功放芯片 TDA2030 驱动 3W 的喇叭。 功率放大集成电路 TDA2030 上升速率高、瞬态互调失真小，输 出功率大，能达到 18W。 通过 100K 的电位器来调节输出音量， 保证语音不失真输出。 语音电路如图 3 所示。
［6］赵 智 民 ，崔 建 明．智 能 式 顶 板 压 力 监 测 系 统 ［J］．自 动 化 与 仪 器 仪 表 ， 2009（2）：63－65
［7］梁 培 峰 ，李 东 民 ，李 保 银 ． 基 于 红 外 通 信 的 低 功 耗 矿 用 数 字 压 力 计 ［J］． 煤 矿 安 全 ，2012 ，43 （1 ）：66－69
通过定时器和中断测得的信号频率， 过零比较器输出作为 中断信号触发外部中断，利用定时器测量中断间隔。
干扰排除： 测得的频率在
料位距离范围之外可以直接排
除，不予采用。 由于存在悬浮颗
粒， 料位下移抖动严重等因素，
可能产生假料位，需要连续多次
测量以确定距离信息。设计采用
多周期多段求平均值的算法排
除 此 类 干 扰 ：5 个 周 期 为 一 段 ，
100 个 周 期 的 波 形 ， 单 片 机 控
制调频开始和结束， 编程时设
置调频开始标志， 取其中五个
周期计时。 料位移动速度通常 小 于 0．5m ／ s， 设 定 三 段 15 个
图 4 抗干扰测距算法
周 期 分 别 在 15 个 锯 齿 波 内 （时 间 最 长 ），250Hz 调 频 频 率 下 料
单片机外围电路、语音播放电路和显示模块。 单 片 机 控 制 DAC
按照一定的斜率产生调制电压信号； 微波测距传感器模块输出
差拍信号，经过高通滤波器，滤掉调制信号及干扰和噪声，经自
动增益放大器放大滤波后进入过零比较器， 过零比较器输出脉
冲触发单片机外部中
断， 通过软件算法排除
干扰， 求出差拍信号频
率； 单片机控制语音芯
被测物体反射后产生回波， 混频器将入射波信号与回波信号混
频，产生频率为 f 的差拍信号，距离 R 与差拍频率 f 的关系如下：
R＝ C f
（1）
4fM B
式 （1）中 C 为 真 空 中 光 速 ，fM 为 调 频 周 期 ，B 为 发 射 信 号 调 频 带 宽［1］。
2 硬件电路设计
系统硬件电路包括电源模块、微波传感器、信号调理电路、
图 3 语音电路 3 软件设计 3．1 系统参数
IVS－179 雷 达 收 发 器 工 作 中 心 频 率 为 24GHz， 调 频 带 宽 250MHz，采用锯齿波调制方式。 粮油生产测量范围 2．5m～30m，据 此范围选取调频频率为 250Hz，调频周期 0．004s，测量精度 0．1m。 由以上参数计算可得：差拍信号频率范围为 2．08kHz～25kHz。 3．2 距离测量及干扰排除
片和功放芯片驱动扬声
器，播报料位信息，适时
发出警报提醒工作人员
注意。 系统组成框图如
图 1 硬件系统框图
图 1 所示。 2．1 IVS－179 雷达传感器及调制信号发生
IVS－179 是 Innosent 公司推出的 K－波 段 带 VCO 的 雷 达 收发器， 是一款应用十分广泛的窄波束雷达传感器。 可工作于 CW ／ FSK ／ FMCW 方式， 具有低噪声的 RF 和 IF 前置放大器，具 有独立的发射和接收路径。 工作于 FMCW 方式时其中心频率为 24GHz，发射机 输 出 功 率 为 20mW，采 用 5V 电 源 供 电 。 探 测 距 离达到 300m，调频带宽 250MHz，最大调制频率 150kHz。
该系统与传统的人工监测技术相比，具有检测精度高、稳定 性好，能够大大节省人力和时间。 与基于总线技术的矿压监测系 统相比，解决了井下布线的困难，具有安装灵活、使用方便等优 点。 另外本系统还可以通过更换传感器检测电路，实现对其他信 号量的检测，从而使整个系统应用更加灵活。
参考文献 ［1］尹洪胜，于宁宁，赵宗平，等．基于 CANopen 的煤矿压力在线监测 系
位在此段时间移动距离 0．03m，引起的测量误差在允许范围内。
4 结束语
基于微波雷达模块和测要求设置了系统工作参数；完成了基
于单片机和 IVS－179 微波雷达收发器的物位计电路设计和软件
设计。该物位计探测距离达 30m，满足粮油饲料生产要求。目前正
在试用阶段，系统运行稳定，误报率低，精度满足生产要求。
［8］陈斯，赵同彬，高建东，等．基于 ZigBee 的 综 采 工 作 面 顶 板 压 力 无 线 检 测 系 统 ［J］． 煤 矿 开 采 ，2011 ，16 （2 ）：107－109 ［收 稿 日 期 ：2013．3．6 ］
其调制幅度最大范围为 0．5V～10V。 根据测量范围和调谐曲 线选取调谐曲线中线性度最好的一段确定调制信号的调节范 围，确定调制信号范围为 2V～4V［2］。
调制信号由单片机控制 DAC 产生。 选用 TI 公司生产的 12 位 并口输入 DAC DAC7724，其具有 4 个可独立控制的通道，1MHz
在粮油饲料生产的很多场合， 需要对液体或粉末颗粒状的
固体物料的物位进行测量。 针对此类测量问题，目前出现了如超
声波、微波、压电式物位计等。 由于此类生产中存在浓度较高的
悬浮颗粒，超声波无法穿透浓度较高的悬浮颗粒，容易形成假料
位。 微波穿透能力强，不易受介质介电常数、浓度（密度）、压力和
温度影响，具有良好探测能力。 调频连续波雷达适合近距离高精
图 2 AGC 与滤波电路
54
粮油生产雷达物位计设计
转换速率，可直接输出电压信号作为雷达传感器的调制信号。 2．2 AGC 及滤波电路
雷达传感器输出的差拍信号需经高通滤波， 以滤掉调制信 号及其它干扰和噪声，同时对信号进一步放大。 根据测量距离和 调制频率选用采用 1．5kHz 的高通滤波器。
由于距离远近产生的回波信号幅值差别很大， 为保证后续 电路正常工作， 采用了自动增益控制。 AGC 电路由 AD603 组 成，AD603 是可变增益放大器，实现电压的精密控制［2］。 AD603 采用利用负反馈来提高增益的准确度。 将输出信号调整到一定 幅值,以便后续低通滤波器能够正常工作。 滤波与放大电路采用 了用低失调高精度电压运放芯片 OP－07，其具有极低 的 失 调 电 压，（25μV），开环增益高，温漂小。 电路如图 2 所示。 2．3 语音报警电路
先求出每段 5 个周期的距离平
均值，连续求取三段，三段距离
进行比较，如果各段距离相差在
允许范围内，则取三段的平均值
作为有效距离， 如相差较大，则
作为干扰信号排除， 重新测量。
算法流程如图 4 所示。
根据以上计算可知在每个
调 频 锯 齿 波 形 时 间 内 （0．004s，
忽略反射延时）差拍信号有 8－
wk.baidu.com
参考文献 ［1］周 刚 ，吴 杰 ，鲁 可．汽 车 防 撞 毫 米 波 雷 达 信 号 处 理 ［J］．计 算 机 测 量 与
控 制 ，2011 ，19 （7 ）：1656－1658 ［2］时 雨 ，赵 正 予 ，陈 曦．可 变 增 益 放 大 器 AD603 在 雷 达 系 统 中 的 应 用
［J］． 电 子 设 计 应 用 ，2005 （5 ）：22－24 ［3］ 张 兆 忠 ． 低 成 本 微 型 测 距 雷 达 设 计 ［J］． 现 代 电 子 技 术 ．2010 （15）：
［4］李忠奎，黄圆月，温良．基于 ZigBee 和 CAN 技 术 的 煤 矿 顶 板 动 态 监 测 系 统 设 计 ［J］．煤 矿 安 全 ，2012 ，42 （11 ）：54－57
［5］疏 礼 春．煤 矿 顶 板 动 态 在 线 监 测 系 统 ［J］．煤 矿 安 全 ，2012，43（10）： 92－96
度的测量，选择其作为物位计的实现方案。
1 FMCW 雷达测距原理
线性调频有锯齿波和三角波两种调制方式。 锯齿波调频可
以获得目标的距离信息， 而三角波调频则可以同时获得目标的
距离和速度信息。
FMCW 雷达主要由发射 管 、接 收 管 、混 频 管 和 天 线 构 成 ，信
号源采用全固态器件，发射管通过天线发射频率为 f 的入射波，经
Abstract The device for material level gauging based on microwave radar is studied．The system parameters are constituted based on detection request and hardware selected．DAC output modulation signal of radar under control of signal chip microcomputer．The amplified and filtrated beat signal enter zero voltage comparator,the frequency of pulse signal of comparator outputting is identified by signal chip microcomputer with its interrupt and timer．The accuracy frequency can be confirmed by average of multi－cycles．The algorithm for eliminating interference is formulated to assure the validity of distance measurement． Keywords:FMCW radar,material level,interference eliminating
168－170 ［收 稿 日 期 ：2013．4．22 ］
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（上接第 14 页） 时长可达到 79h，持续工作时间随着时间间隔的增加逐渐增 大 ， 在时间间隔大于 5min 后，持续工作时间基本没有发生变化。 因 此，时间间隔设定为 5min 为最佳状态。 5 结束语