助力高集成度的FMCW雷达解决方案——英飞凌Position2Go开发套件评测

不久前,英飞凌推出了新一代的24GHz雷达解决方案——Position2Go开发套件,笔者有幸拿到并进行实际体验。Position2Go采用了全新的RF收发器和主控MCU,性能提升的同时,增加了对物体的角度检测功能。下面随笔者一起来一探究竟吧!

开箱

Position2Go套件的包装使用白色纸壳包装,印有Position2Go套件的简单介绍和详细信息的访问链接,可谓简约环保。

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开箱后除纸壳内衬外,有一块小巧的电路板,一根Micro-USB数据线和一块折叠的三角散射板,下面我们从硬件组成、软件开发,实际测试等多个方面来详细了解一下英飞凌这款Position2Go雷达套件。

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Position2Go简介

Position2Go雷达传感器开发套件基于BGT24MTR12的RF收发器和XMC4700 32位ARM Cortex-M4 MCU,通过使用快速chirp FMCW和两个接收天线来获得角度,距离,速度和运动方向。 这些功能使其适用于各种应用,如跟踪人,存在检测,避免碰撞等。

至此,英飞凌共推出了三种工业XENSIV雷达演示套件:Sense2GoL,Distance2Go和Position2Go,支持不同的应用-从基本运动检测到高级运动检测和传感。

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Position2Go模块提供了完整的雷达系统评估平台,包括演示软件和图形用户界面(GUI),可用于在时域和频域中显示和分析采集的数据。 板载了装有SEGGER许可固件的可拆卸调试器,可通过USB轻松调试。通过英飞凌功能强大的免费工具链DAVE™对XMC4700 MCU编程。该板还在PCB上集成了微带贴片天线,其中包括设计数据,从而消除了用户端的天线设计复杂性。

特性

Position2Go板上使用的主要雷达技术是FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave,调频连续波)。通过发送和接收的chirp信号之间的时间延迟来测量到目标的距离。由于BGT24MTR12具有两个接收器,因此使用相位单脉冲比较技术来确定AoA。将发送和接收的信号混合然后量化以进一步处理。 处理多个chirp信号(最多16个)以创建2D范围多普勒图,可以估计目标的距离和速度。

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基于以上原理,Position2Go板可以实现的主要功能如下:

  • 检测并跟踪室外环境中多个目标的位置。
  • 在用户可配置的范围内测量多个目标的距离(1到50米)。
  • 检测人类目标的运动,存在,速度和移动方向(接近或撤退)。
  • 可以在不同的天气条件下运行,如雨,雾等等。
  • 可以隐藏在终端应用中,能穿过非金属材料进行检测。

先来看个Position2Go开箱、测试的视频介绍:

硬件描述

板子外形小巧,只有5厘米x 4.5厘米,下面我们来详细了解Position2Go模块的主要硬件配置。

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板子正面
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板子背面

如上图所示Position2Go板主要包括以下4个重要部分:

  • RF部分:BGT24MTR12 - 高度集成的24 GHz收发器IC,单发射双接收通道,以及用于TX和RX部分的锥形微带贴片天线。
  • 模拟放大器部分:提供RF部分和电路板数字部分之间的接口,具有可编程增益放大器(PGA),可通过SPI进行编程,为不同的使用情况提供可变增益。
  • 数字部分:基于32位ARM Cortex-M4的MCU XMC4700,用于采样和处理来自雷达前端的模拟数据,还可通过SPI配置BGT24MTR12,PLL和PGA。
  • 频率控制部分:包含一个低噪声小数分频PLL。
  • XMC4200板载调试器:用于串行线调试(SWD),内置了SEGGER许可固件。

下面这个框图详细的描述了Position2Go评估板的硬件结构。

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该结构与上一代产品Distance2Go评估板非常类似,主要变化是RF收发器升级为BGT24MTR12,主控制器升级为32位ARM Cortex-M4 内核MCU XMC4700 。板上集成了微带贴片天线,威尔金森合路器将雷达集成电路的差分发射器输出功率与天线相结合。每个接收器通道在其IF输出端连接到双级模拟放大器。XMC4700 32位ARM Cortex-M4 MCU内置的12位ADC对来自基带放大器的模拟下变频信号进行采样和处理,用户还可通过SPI控制雷达芯片,设置雷达芯片的输出功率和接收部分的增益或者读出不同的传感器输出。低噪声分数锁相环(PLL)IC用于执行频率控制和调制波生成。雷达IC上/ 16集成预分频器的输出连接到PLL的RF输入引脚,PLL电荷泵的输出电压通过环路滤波器连接到BGT24MTR12的调谐端口,从而形成闭环系统。该过程用于将模块的发送信号锁定到ISM频带内的输出频率。集成的1/ 65536预分频器产生低频输出信号(23 kHz),该信号连接到XMC4700的比较和捕获单元(CCU4)以进行监控。

该模块通过Micro-USB供电,并使用多个低噪声LDO为不同的构建模块提供稳压电源。 BGT24MTR12 MMIC通过PMOS开关供电,可以在占空比模式下操作传感器。

Position2Go具有可拆卸的板载调试器,预装了SEGGER许可固件,用于调试并通过UART引脚与主雷达MCU通信,另外PCB两侧引脚可实现传感器模块与外部处理器的接口连接。

下面我们重点看一下Position2Go两个核心器件:BGT24MTR12 RF收发器和XMC4700控制器的主要参数。

BGT24MTR12是英飞凌24GHz ISM频段雷达收发器系列产品之一,目前,BGT24M/L系列产品分别为 BGT24MTR11(单发射单接收通道)、BGT24MTR12 (单发射双接收通道)和 BGTMR2 (双接收器通道芯片,可与两种芯片组集成)。

BGT24MTR12主要特性如下:

  • 24GHz ISM频段收发器MMIC,单发射双接收通道
  • 完全集成的低相位噪声VCO
  • 具有1.5GHz和23kHz输出的可切换预分频器
  • 片上功率和温度传感器
  • 基于Gilbert的零差正交接收器
  • 单端RF和LO端子
  • 低噪声系数NFSSB:12 dB
  • 高转换增益:26 dB
  • 高1 dB输入压缩点:-12 dBm
  • 单电源电压3.3 V.
  • 持续运行模式下功耗690mW
  • 200GHz双极SiGe:C技术b7hf200
  • 完全ESD保护的设备
  • VQFN-32-9封装

XMC4700 32位ARM Cortex-M4 MCU主要作用是对信号进行采样和处理,还可通过SPI控制雷达芯片,主要特性如下:

  • ARM ® Cortex ®-M4 @ 144MHz,2048kB 闪存,352kB RAM
  • 闪存上的数据和IP保护
  • 电源电压范围:3.13 - 3.63V
  • 6 x CAN 节点
  • Ethernet MAC, USB-OTG, SD/MMC
  • 6 通道 USIC(可配置至 SPI、UART、IIC、IIS)
  • 外部总线单元
  • 4X12位 ADC,26输入通道,4x并行采样和转换
  • 2 通道 12位 ADC,4 通道 ∆Σ解调器
  • 24 x 16 位专用计时器,死区时间产生
  • 2X位置界面
  • 看门狗计时器,实时时钟
  • XMC4000功能安全封装
  • 封装:LQFP144,温度范围:-40 - 85°C,安全封装,支持 SIL-2/3

应用程序演示

Position2Go评估板拆箱即用,搭配PC应用程序Radar GUI,用于在时域和频域显示和分析采集的数据。通过 GUI可以提取雷达时域信号,允许高级调试和算法开发,另外可以使用英飞凌的DAVE开发工具编程。下面我们来体验一下Position2Go评估板的开发过程。按照下面列出的前五步,下载和安装一些配套的工具就可以使用了,如果要深入体验Position2Go的开发,那就需要安装其他的开发工具。

1. 准备开发套件

  • Position2Go开发板、
  • Micro-USB线
  • 折叠角反射器

2. 下载和安装Infineon Toolbox

  • 在英飞凌官网下载Infineon Toolbox
  • 运行 “infineon-toolboxlauncher-setup-win-x86.exe”,完成安装

3. 安装Position2Go kit:XMC Flasher + Radar GUI

  • 打开Infineon Toolbox
  • 选择Manage tools选项
  • 搜索框输入Position2Go kit
  • 安装Position2Go kit

4. (可选)下载SW+HW包

  • 下载并运行p2g_sw_setup_v1.0.0.exe文件
  • 安装XMC串口驱动(win10无需单独安装)

5. 运行Radar GUI,读取数据

  • 使用Micro-USB线连接Position2Go主板和PC
  • 打开Infineon Toolbox – Radar GUI
  • 观测实时数据

6. (可选)使用XMC Flasher更新固件

7. (可选)使用DAVE IDE编辑源文件并调试

8. (可选)利用MATLAB接口,读取数据到MATLAB

上面1-4步的准备和软件安装部分这里不再赘述,安装完成后使用Micro-USB线连接Position2Go主板和PC,打开Infineon Toolbox – Radar GUI就可以在时域和频域显示和分析采集的数据了,过程如下图所示。

连接Position2Go主板和电脑

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打开Infineon Toolbox-Radar GUI

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Radar GUI应用程序窗口

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固件烧录

Position2Go预先烧录了固件,使用XMC Flasher可以对Position2Go的XMC4700重新编程。

使用两根Micro-USB线连接PC和Position2Go的板载调试器及主板USB口,调试器USB口用于下载,主板USB口用于供电,打开Infineon Toolbox – XMC Flasher。

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点击“Connect”按钮,从设备列表中选择XMC4700-2048

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设备连接成功后,选择“Select File”,在“Position2Go kit”目录下Debug文件夹下有,可选的.hex格式的固件。选择固件后,点击“Program”即可对XMC4700进行烧录。

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使用DAVE IDE编辑源文件并调试

DAVE IDE是英飞凌一款免费的基于Eclipse的IDE,使用GNU C编译器,可以编辑、编译程序并调试英飞凌XMC微控制器。

DAVE IDE可以从英飞凌官网下载https://www.infineon.com/DAVE。

该软件是免安装版,下载解压后即可使用,打开后就是非常熟悉的Eclipse环境。在“Position2Go kit”目录DAVE project文件夹下有可供用户开发的DAVE工程。导入DAVE工程后,就可以对程序编辑、编译和调试了,这里不再赘述。

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性能测试

Position2Go相比上一代产品,性能有较大提升。在英飞凌官方手册中给出了在特定条件下的系统性能规格。

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由于手头并没有专业的雷达反射器,为了体验Position2Go的性能,我们在室外设置了一个简易的测试环境,在空旷的广场上,每隔1m标定了一个桩点,人在不同每个桩点位置停留后记录下数据。由于桩点位置使用卷尺测量,并且人的站立位置并不一致,所以以下的测量数据并不十分精确,但是还是能体现出Position2Go的测量性能的。

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另外测距时使用的配置信息如下图中所示。

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测试结果如下:

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从以上结果来看,Position2Go在室外对人的定位还是非常准确的,误差也在数据手册的范围内,但是由于人的雷达反射截面比较小,人站在10m以后,就探测不到了,但是像汽车等大反射截面的物体还是可以探测到的。
我们还进行了1个人在不同速度靠近和远离雷达板,以测试Position2Go对运动物体速度的测量。另外,3个人以S型路线靠近雷达板,以测试对物体角度的测量。通过测试,Position2Go在测量范围内都能比较准确的测量出结果。

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总结

Position2Go开发套件允许用户在24 GHz ISM频段上实现和测试多种传感应用,例如跟踪和防撞。通过快速chirp FMCW和两个接收天线来获得角度,距离,速度和运动方向。 该套件的核心包括BGT24MTR12收发器MMIC和XMC4700 32位ARM Cortex-M4 MCU,通过配合PC端应用程序可以实时采集和分析数据,另外可以通过DAVE IDE进行应用程序的二次开发。通过定位、速度和角度等一系列的测试,我们发现实际测得的数据非常准确,误差都在允许的范围内。可以说这是一款简单易用,性能卓越的24 GHz雷达开发套件。

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