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实验题目：基于毫米波雷达的电机转速监控器设计

课程简要信息

课程名称：数字信号处理

课程学时：48

项目学时：课内2、课外4

适用专业：电子信息工程

学生年级：大三上学期

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

实验设计目的

针对演示验证类实验在培养学生解决工程应用问题方面的不足，本案例以工程应用中电机转速测量为背景设计实验。

在方案设计上，搭建雷达系统并测量日常生活中电风扇等具备机械转速的物品或电机，与学生的兴趣点和日常生活契合度高，调动学生的积极性，激发学生的思考。通过提升学生对课程的兴趣，巩固其对相关知识的学习效果。

在系统实现上，以实际需求为牵引，通过层层递进的设计，引导学生分析问题、解决问题，从而构建转速测量的知识认知框架。引入商品集成器件，引导学生搭建完整的雷达系统并实现所需的数字信号处理功能，从而加深对知识的点理解，巩固课堂教学效果，培养动手能力，培养工程思维，让书本知识落地生产生活实际。

实验内容

以毫米波雷达及DSP芯片为核心器件，设计并实现一个电机转速测量雷达，通过非接触式控制执行电路，完成硬件电路搭建与数字信号处理算法。

实验任务

以电机转速测量为应用背景，搭建实际雷达系统，引导学生了解系统的设计及实现方法，引导学生从问题需求出发，通过需求分解、原理设计、细化设计等步骤自顶向下完成系统设计，并让学生寻找生活中不同类型的电机进行转速测试，对项目做出技术评价。

实验过程及要求（限300字）

查阅资料，学习雷达基本原理，了解雷达信号处理的基本方法；
结合课堂知识自行思考，确定系统原理框图，并提交初步设计报告；
进行需求分析、功能分解，确定器件；
研读器件数据手册，掌握器件的电路连接与使用方法，完成系统设计；
建立毫米波雷达与DSP之间的电路连接；
通过模数转换，完成雷达回波采样；
对回波数字序列FFT处理，设计滤波器，提取中心频率，估计转速；
撰写实验报告，组织分组演示。

实验环境条件

毫米波雷达：SMR 300型毫米波雷达芯片；
DSP开发板：00IC POS28335 DSP开发板；
编程环境：

a) Code Composer Studio 7.1，进行DSP编程；

b) Matlab，对数字信号进行频谱分析；

示波器：观察雷达波形，辅助电路调试；
数字电源；
实验台。

教学目标与目的（限150字）

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解实际系统的设计及实现方法，引导学生从问题需求出发，通过需求分解、原理设计、细化设计等步骤自顶向下完成系统设计，并通过测试与分析对项目做出技术评价。教学拟达到以下目的：

巩固课堂教学，加深对数字信号处理理论理解；
通过解决工程问题，实现从理论到实践的落地；
培养自顶向下的系统思维，集成化、模块化的设计思想；
掌握软件定义功能的产品开发模式。

教学设计与实施进程

从数字信号处理的一般流程出发，围绕“一个核心、两个低通、三次转换”的框架，首先实现模数转换，将连续的回波信号（模拟信号）转换成离散信号；然后实现对离散信号的量化得到数字信号以送入算法平台进行处理；第三是“一个核心”，即编写数字信号处理算法完成对输入信号的处理；然后是第三次转换，即将处理结果转换为控制信号来执行电路动作。通过一个综合实验，在将知识点实践落地的同时，基本覆盖了数字信号处理的全流程，考察对DSP知识点的理解和运用能力。实验实施进程如下：

学习并掌握毫米波雷达芯片的使用方式，建立雷达与DSP处理器之间的电路连接，形成毫米波雷达硬件系统；
熟悉DSP平台的基本结构，DSP程序运行的基本框架，编译、链接，导入程序，实现对雷达回波的采样，并利用示波器和DSP观测窗口进行验证；
编写程序，利用FFT分析回波信号的频谱，根据频谱分析结果，估计转速，并编写程序传输到数码管上显示；
在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

实验原理及方案

基本原理

雷达发射的电磁波，被目标反射形成后向散射回波，目标的位置信息体现为回波的幅度和相位。回波经解调和处理，即可获取目标的距离、方位等信息。雷达种类众多，用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括发射机、发射天线、接收机、接收天线、处理机以及显示组件，如下图所示。

图1 雷达结构及探测原理

按信号体制分，雷达可分为脉冲体制和连续波体制，连续波雷达按信号形式又可分为单频连续波雷达、调频连续波雷达、相位编码连续波雷达和多频连续波雷达等。其中，单频连续波雷达可用于接近感应、障碍物检测、人体检测等，广泛应用于道路测速、智能驾驶、智能家居等。

设雷达发射频率为ω的电磁波信号，目标回波由接收天线接收后，对回波信号进行解调，得到幅度和相位。为表达方便，回波一般表示为复指数形式，其中σ表示目标对雷达波的反射强度，τ指雷达波到目标的双程传播时延，过程如下图所示，解调在通信原理、雷达原理等课程中有详细介绍，可作为拓展学习内容。

图2 雷达回波解调原理

设计依据

实验采用了Innosent公司生产的毫米波汽车雷达芯片，可发射单频连续波，中心频率24GHz~24.25GHz可调。该雷达在一个芯片内集成了发射/接收机和收/发天线，只有硬币大小（见下图），体积小、重量轻、功耗低，方便集成到智能家电、汽车、建筑等，在生产生活中应用广泛。

图3毫米波雷达芯片

图4 转速测量的场景与信号机理

上图显示了转速测量雷达的场景想定。当目标（如风扇叶片）在距离雷达一定位置处以一定的转速转动时，引起周期变化的雷达回波，对回波进行傅里叶分析，提取信号的变化频率，估计转动频率。

系统结构

系统的结构如下图所示：

图5 转速测量雷达系统结构

实现方案

目前，工业系统的实现早已脱离分立器件搭建电路的模式，而是尽量采用集成芯片实现模块化设计。本实验一方面增加学生对数字信号处理知识的理解，另一方面让学生建立实际系统开发设计的直观感受，因此采用的器件以通用或专用器件为主，而不采用专门为教学工作设计的演示教具，总体实现方案如图6所示。

图6 转速测量雷达系统的软硬件组成

a) 毫米波雷达模块

雷达采用SMR 300系列芯片雷达模块（见图3），该雷达模块是高度集成的毫米波雷达，工作频率24GHz，在智能家居、智能驾驶等行业具有广泛的应用，采用工业器件作为系统设计的器件，有利于学生建立理论知识与实际生活经验的直观感受。

b) DSP模块

实验箱采用00IC POP28335 DSP开发板（见图7）。该实验箱以TMS320 F28335 DSP芯片为核心板，主频150MHz，支持编程实现FFT，内置16通道12位ADC，并设置了LED、数码管等外部显示器件。

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图7 00IC POP28335 DSP开发板

c) 转速测量

对数字回波序列进行傅里叶分析，提取回波的主要频率。由于回波的多普勒谱展宽反映了转动特征，因此计算倍频谱相邻谱峰间的频率差即可估计转动频率，并取整后发送到数码管显示。

d) 硬件电气连接

由于器件均为高度集成的模块，只需将SMR 300系列雷达传感器模块的IF1（I路）及IF2（Q路）引脚分别连接到实验箱的AD1与AD2接线座，GND引脚连接至实验箱的GND接线座，其他供电线路连接到电源端口（参照数据手册），建立硬件电路。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

对实验原理的理解；
实验需求分析，尤其是功能到实现的逐层分解求精的过程；
实现方案论证；
信号测试方法；
实验数据记录；
数据处理分析；
实验结果总结，尤其可多找几个生活中的小型电机，安装转动叶片测试其频率，思考如何通过转速特征检测电机是否正常工作。

考核要求与方法（限300字）

考核节点和时间：

第6节课在课堂上以PPT形式分小组汇报，每组10分钟，共4组。

考核标准和方法：

实物验收：功能的完成程度，是否在规定的课时内完成实验。
实验质量：不同的风扇或电机，测试系统对电机转速测量的准确性，与真值的误差。
自主创新：能否基于系统功能扩展应用场景，自主思考与独立实践能力。
实验成本：能否改进系统，在确保功能的前提下选用更为精简的器件，成本核算与损耗。
实验报告：理论分析是否正确和完备，测量数据表格的设计和对比是否合理，合成效果在示波器上的截图是否完整和美观。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的创新特色在于：以雷达系统与信号处理为背景，以实际器件结合课堂所学，系统既可通过DSP处理器实现，也可通过Matlab编程实现，并运用数字采样、FFT等数字信号处理知识落地解决实际问题。

同时，通过让学生找风扇、小电机等测量转速，了解风机、水泵等大型电机的雷达测速原理，达到“身边小器件，科学大原理”的思政教育目的，培养工匠精神。

基于毫米波雷达的电机转速监控器设计