Sistemas de Telecomunicações II hmiranda/st2/microcontroller_radar_  · gunn oscilator fo mixer fo…

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  • Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Licenciatura em Engenharia Electrotcnica e dos

    Computadores Ano Lectivo de 2002/2003

    Sistemas de Telecomunicaes II

    Relatrio sobre Radar compacto de onda contnua na banda X para a medio de

    velocidade de veculos

    Trabalho realizado por: Jos Pedro Gomes Ferreira n ee98156 Nuno Beleza Jernimo n ee98042

  • pgina 1

    ndice Objectivos ............................................................................................................................2 Introduo ............................................................................................................................2

    O efeito de doppler e os radares de onda contnua ..........................................................2 Esquema geral do trabalho...................................................................................................4 Circuito de condicionamento de sinal..................................................................................5 Processamento do sinal ......................................................................................................10

    Esquema de montagem do microprocessador ................................................................10 Cdigo desenvolvido para o microprocessador .............................................................10

    Teste do RADAR...............................................................................................................14 Concluso...........................................................................................................................15 Anexo.................................................................................................................................16

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    Objectivos O trabalho consiste em realizar um radar de onda contnua compacto, fazendo uso do efeito de doppler. Ser usado um gunnplexer da banda X com uma frequncia de 10.5GHz, o qual ir alimentar um circuito de condicionamento de sinal. A sua sada ir ento ser ligada a um microprocessador que funcionar como um frequncimetro, fazendo a converso do sinal para velocidade mostrando o resultado num mostrador.

    Introduo

    O efeito de doppler e os radares de onda contnua Os radares detectam a presena e localizam a sua posio, transmitindo energia electromagntica e observando o eco retornado. Nos radares de onda contnua, o eco um sinal bastante fraco, em relao ao sinal transmitido. Uma forma de contornar essa diferena de potncias usando antenas separadas para a transmisso e para a recepo, mas normalmente o isolamento no suficiente. Uma outra tcnica para separar os dois sinais, quando existe movimento relativo entre o alvo e o radar, o facto de haver uma mudana de frequncia entre o eco e o sinal transmitido. Esta aparente mudana de frequncia devido ao efeito de doppler, que a base dos radares de onda contnua. Se R for a distncia do radar ao alvo, o nmero total de comprimentos de onda ? contidos na ida e volta 2R/ ?, assumindo que R e ? so medidos na mesmas unidades. Como um comprimento de onda corresponde a uma excurso angular de 2p rad, a excurso angular total ? provocada pela onda electromagntica durante o seu trajecto de ida e volta 4pR/ ? rad. Se o alvo estiver em movimento, R e ? esto a mudar continuamente. Uma mudana em ?, em respeito ao tempo, equivalente a uma frequncia. Isto a frequncia angular doppler ? d, em que:

    rddv

    dtdR

    dtd

    f44

    2 ====

    onde fd a frequncia de doppler e vr a velocidade radial do alvo em relao ao radar. A frequncia de doppler :

    cfvv

    f rrd 022

    ==

    em que f0 a frequncia transmitida e c a velocidade de propagao da luz no vazio. A velocidade relativa, vr, pode ser escrita como vr = v/cos(a).

  • pgina 3

    Sendo ento observvel que para a = 90, vr ser zero. Um radar de onda contnua simples pode ser representado da seguinte maneira:

    O transmissor, no caso do trabalho o gunnplexer, gera continuamente uma oscilao frequncia f0, que radiada pela antena. Uma poro da energia radiada interceptada pelo alvo e espalhada, alguma dela em direco ao radar. Se o alvo estiver em movimento com uma velocidade radial relativa ao radar de vr, o sinal recebido ter um desvio relativo a f0 de +fd, no caso do alvo se estar a aproximar e fd se o alvo se estiver a afastar. O eco recebido de frequncia f0 fd, recebido no radar pela antena, sendo misturado no mixer com a poro f0 transmitida, retirando-se o sinal diferena fd, sendo o seu sinal perdido no processo. Pode-se ento aplicar o sinal a um amplificador, seguido por exemplo de um frequncimetro para efectuar as medies de velocidade. O uso de uma nica antena para transmisso/recepo possvel, pois pode-se fazer o isolamento entre os dois sinais, fazendo uso da sua separao em frequncia derivada do efeito de doppler. Na prtica a sua separao total no possvel, embora o facto de haver uma pequena fuga do sinal transmitido para o eco recebido no seja de todo negativo, pois pode-se usar essa fuga moderada para servir de referncia na deteco da frequncia de doppler.

    fo

    fofd

    gunn oscilatorfo

    mixer

    fo

    fo fofd

    fd

    a

  • pgina 4

    Esquema geral do trabalho O seguinte diagrama de blocos faz uma breve descrio do trabalho:

    O sinal proveniente do gunnplexer ser aplicado a um amplificador para elevar a amplitude do sinal de eco recebido e depois ser ligado a um comparador para se obter um sinal do tipo onda quadrada, livre de rudo e com uma excurso de 0V a 5V aproximadamente. Esse sinal ser ento aplicado ao microprocessador que retirar a frequncia do sinal fazendo a contagem dos impulsos, fazendo a sua converso para velocidade de acordo com os parmetros seleccionados:

    O cculo da velocidade correspondente feito mediante o valor do ngulo (0 : 85) relativo entre o radar e o alvo seleccionado e a seleco da frequncia do gunnplexer instalado (10.5GHZ ou 24.1GHz). O microprocessador tm ainda um

    Gunnplexer

    Amplificador Comparador Microprocessador

    Display

    Condicionamento do sinal Processamento do sinal

    Frequncimetro

    Display

    ngulo

    Converso Frequncia Velocidade

    Frequncia do Gunnplexer

    Microprocessador

  • pgina 5

    pequeno menu de navegao que permite fazer o ajuste dos parmetros mostrando essa informao no display:

    Esta navegao feita atravs de trs botes de presso: boto de modo que possibilita a passagem pelos vrios modos e botes de mais e menos para seleccionar os valores. Existe ainda um led para distinguir os dois modos de actualizar a velocidade, estando este aceso no modo de velocidade mxima.

    Circuito de condicionamento de sinal A entrada do circuito provm do gunnplexer, sendo este alimentado um regulador (LM2940) de 8V:

    Velocidade instantnea

    Velocidade mxima

    Ajuste da frequncia

    Ajuste do ngulo

    0 : 85 2570 | 1120 A velocidade mxima retida

    durante 1s aps a passagem do

    Velocidade actualizada frequncia de amostragem

  • pgina 6

    o condensador de 10F e 1 F evitam que a sada do regulador oscile, atenuando a variao de tenso na sada, devido ao ajuste automtico de tenso de sada. Os terminais do gunnplexer esto ligados da seguinte forma:

    tendo o seguinte diagrama de blocos:

    Como j foi explicado na introduo, h uma poro do sinal emitido que alimenta o mixer, de forma a ser possvel, do sinal recebido, extrair fd. Essa pequena fuga conseguida desviando o dodo de emisso (dodo de Gunn) do dodo de recepo. Esse desvio o que tambm garante que o sinal transmitido, no danifica o dodo de recepo (burnout).

  • pgina 7

    A alimentao do circuito de condicionamento (tambm microprocessador e display), faz uso tambm de um regulador de 5V (LM2940), alimentado a 12V:

    tendo o condensador a mesma funo referida em cima.

    Na amplificao foi usada uma montagem do tipo no inversora:

    o condensador de 4.7F tem como funo fazer a acoplagem do sinal proveniente do gunnplexer. O sinal ento posto sobre uma componente contnua de 2.5V, atravs do

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    divisor resistivo, isto para o sinal ficar dentro da gama de operao do amplificador. A montagem no inversora tem um ganho de:

    VVK

    Ganho / 1000100

    1001 =+=

    O condensador de 10F tem a funo de no amplificar a componente contnua do sinal, visto para DC o condensador ser um circuito aberto, comportando-se assim o amplificador, para DC, como um seguidor de tenso. O paralelo da resistncia de 100 Ohms com o condensador de 470 pF, implementa o filtro passa-baixo com frequncia de corte:

    KhzpKRC

    fc 4.3470*100*21

    21 ==

    o que limita a medida de velocidade para um valor de:

    hKmG

    kf

    cfvr d /1756.3*

    5.10*210*3*4.3

    6.3*2

    * 8

    0

    ==

    Esta limitao de banda ir melhorar a capacidade do radar alcanar uma distncia de medio de velocidade maior, visto estarmos a eliminar o rudo fora da banda de passagem, aumentando assim a relao sinal/rudo. De seguida o sinal amplificado tratado de forma a eliminar o rudo e obter-se um sinal do tipo onda quadrada, com valores de tenso de 0V e 5V (0 ou 1 lgico). Isso conseguido usando um comparador com uma janela de histerese de 200 mV:

  • pgina 9

    sendo as resistncias calculadas da seguinte forma:

    VKK

    KKL

    RR

    RRVV

    VKK

    KKL

    RR

    RRVV

    REFTH

    REFTL

    6,20100

    9,3100

    9,315,221

    211

    4,25100

    9,3100

    9,315,221

    211

    =

    +=

    +=

    =

    +=

    +=

    +

    tendo o comparador a seguinte curva de caracterstica:

    sendo L- e L+ 0V e 5V respectivamente, VREF 2,5V conseguidos atravs do divisor resistivo entrada do terminal negativo do AmpOp, conseguindo desta forma que o sinal de entrada do comparador pendurado nos 2,5V, tenha uma janela de 200 mV, como foi calculado. Assim eliminamos, alm do rudo, eventuais falsas transies e que o rudo quando no nenhum alvo em movimento, no provoque transies no sinal. Pode-se agora aplicar este sinal na porta do microprocessador, para se fazer a medio de velocidade.

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    Processame nto do sinal

    Esquema de montagem do microprocessador

    Cdigo desenvolvido para o microprocessador

    Para o processamento do sinal obtido sada do comparador, foi usado um microprocessador da famlia 80c51, mais concretamente o 89C51RD+, tendo este como principais diferenas a incluso de um terceiro timer (Timer 2) e memria do tipo flash. O microprocessador foi basicamente programado para funcionar como um frequncimetro, que de seguida fazia a converso frequncia/velocidade. Comeou-se por definir duas variveis globais, counter usada para contabilizar as interrupes (Timer 0) e impulsos onde iro ser guardados os impulsos contabilizados pelo Timer 1. Foram tambm definidas as portas a serem usadas, P1.5 Chip enable, P1.6 Serial data, etc. Foram criadas trs funes alm da funo main: init, display e timer0. Na funo init so efectuadas as vrias inicializaes dos registos e variveis, que configuram o microprocessador e o inicializam para a tarefa desejada, a deteco de frequncia e sua converso em velocidade em Km/h. So configurados os registos SCON, TMOD, T2CON, TH0, TL0, TH1, TL1, RACAPL, RACAPH e IE. SCON o registo que configura a porta srie, o qual foi configurado para trabalhar no modo 01, o qual corresponde a ter um baud rate varivel, isto , poder ser ajustado no inicio para um valor desejado, sem ter que um valor pr determinado, mas sim configurvel. Neste registo ainda TI posto a 1 para ser possvel escrever na porta srie atravs de printf, sem que o utilizador se tenha que preocupar com a sua gesto.

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    Em TMOD temos a configurao dos Timer 0 e Timer 1, estando o Timer 1 configurado para funcionar como counter no modo de 16 bit s, contando s quando houver impulsos na porta TR1 (pino 15). O Timer 0 est configurado para funcionar com timer no mod de 16 bit s.

    T2CON serve para configurar o timer extra, o qual fica programado para funcionar como timer, para gerar o baud rate da porta srie ( logo arrancado na sua configurao TR2=1). RACAPL e RACAPH, so os registos que vo ser utilizados para determinar o baud rate a ser gerado pelo Timer 2. Deste modo eles so carregados com valores de modo a ter-mos baud rate = 9600:

    [ ][ ] ( )[ ]

    654979600*32

    1265536*32*960065536*32

    129600

    ,(65536*32_

    _

    =

    =

    =

    Mx

    xMhz

    RACAPLRACAPHosciladorFrequncia

    RateBaud

    TH1 E TL1 so ambos carregados com 0, pois so os contadores que vo contabilizar os impulsos. TH0 e TL0 so carregados com o valor 25535, de modo a os impulsos serem amostrados a cada 200 ms. (ser explicado em pormenor na descrio da funo timer0) O registo IE corresponde ao registo de activao das interrupes, onde so activadas as interrupes dos Timer 0 e Counter 1, no sendo activadas a do Timer 2 visto no serem necessrias para a gerao do baud rate. ainda inicializado o array send, que contm a trama correspondente s siglas FEUP a serem mostradas no display, P1=0, led acende e serial clock e serial data para o display inicializados, mudando-se ce para 1 (display no apto a receber). ento enviada a trama que contem FEUP (nesta situao ainda no usada a funo display pois esta no contm as siglas, a explicao do envio ser feito na funo display). Esta informao mantm-se no display cerca de um segundo, ento posto a 0 e desligado o led e arrancados os Timer 0 e Counter 1 (TR0=1 e TR1=1). A funo display est encarregue de enviar a informao para os mostradores de oito segmentos. Esta funo tem como argumentos um valor numrico a ser tratado e enviado para o display, e outro que define a maneira como a informao deve ser tratada e visualizada. Nesta funo existe uma tabela onde est contida a informao correspondente aos vrios dgitos e s letras A e F. Cada linha contm a trama correspondente ao seu dgito (0-9), havendo ainda duas linhas suplementares correspondentes ao A e ao F. Nas colunas temos o valor correspondente a cada segmento (mais o ponto), ficando estes acesos quando a coluna 1 e desligados quando 0. O array send, onde fica a trama a enviar, inicializado com tracinhos nos segmentos centrais, correspondendo ao fim de escala (999!!!). Caso a velocidade a ser mostrada seja inferior a esse valor, ento construda uma nova trama com esse valor. De seguida so calculados os dgitos das centenas, dezenas e unidades, podendo assim desta forma serem usados directamente na tabela, para servirem de ndices (j que

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    o 0 est na linha 0, o 1 na 1, ). A trama comeada por um 1, sendo depois a trama povoada com os restantes smbolos (4, um para cada mostrador) e finalizada com 0. Existem trs modos de visualizao: um para a velocidade instantnea e mxima, um para o ajuste do ngulo e outro para o ajuste da frequncia do gunnplexer. No primeiro modo (velocidade), os trs primeiros mostradores so carregados com os seus dgitos correspondentes e quarto deixado desligado (no se espera velocidades na casa dos milhares, nem perto do valor de fim de escala!). Para a seleco do ngulo, so usados os dois primeiros mostradores para o ngulo em questo (0:85), o terceiro deixado em branco e o quarto mostra a letra A (posio 10 da tabela). O modo de ajuste de frequncia semelhante ao do ngulo com a diferena de ser mostrado um F (posio 11 da tabel...