|
【Distance2Go试用03】Distance2Go硬件方案详解 -- 系统方案
在搞清楚FMCW测量位置和速度的基本工作原理后，下一步要做的就是分析Distance2Go的完整硬件解决方案，并比较理论概念和实际设计的异同。
Distance2Go虽然是一个精简的小平台，从系统设计上来看并不复杂，但是像兔子这样从不做射频系统的人来说一下子并不容易吃透。好在之前已经做了一些原理解析的工作，下面只要先从顶层对整体方案进行理解，再逐步分解各个子模块即可。
1 系统方案
在看具体的系统方案之前，还是回过头来看上一篇原理浅析中的雷达系统理论框图。传统的雷达设计完全采用分立的器件甚至是利用微带线和金属腔体搭建系统里的各个功能模块，随着IC集成技术的发展，高频RF领域也开始逐渐将射频前端（RF Frond End）集成在IC中。
Distance2Go中使用的BGT24MTR11就将下图中的PA、LNA、Mixer、VCO等期间集成在单个芯片中，从而极大简化了系统设计的复杂度。只需围绕该芯片构建MCU、AD、DA子系统和天线部分。
下面再来看Distance2Go的硬件系统框图。大体可以分为几个子系统（Subsystem），MCU、AFE（Analog Front End）、Antenna、Clocking、Power、Debugger：
· AFE Subsystem包含了系统的核心器件BGT24MTR11，RF侧有TX和RX两个独立的通道和天线，分别用于发射FM信号和接收回波。两个IF通道，将混频器输出的测量结果Δf经过两级放大器电路（Low Gain和High Gain）放大后输入到MCU的ADC中进行采样。
· MCU Subsystem负责数据采集处理、系统控制和管理，包括配置BGT24MTR11和PLL，通过ADC采集测量结果并进行FFT运算。无论是ADC的原始采样值还是最终算出的目标物体距离和速度，都可以通过MCU的USBDevice接口发送给上位机和Radar GUI软件。上位机软件会根据实际需求显示结果或者进一步处理数据。
· Clocking模块由晶振和PLL组成，提供MCU的工作时钟并控制BGT24MTR11中的VCO产生FM信号。
· Power模块负责将USB 5V电源转换成系统需要的3.3V。Distance2Go的设计是通过多个独立的LDO分别给各个模块供电。
· Debugger模块是一个相对独立的子系统，包含JLink OB板载调试器并有一个专用的USBDevice接口，负责MCU下载和调试。
· 另外Distance2Go还提供了两排扩展接口排针，将关键的控制和数据信号引出，便于做进一步的评估和测试。
看完系统框图，后面的分析就完全基于Distance2Go的原理图设计进行。Top层原理图的模块划分和我们对系统框图的分析类似，左侧为Debugger和对外接口，中间是MCU模块，右侧为电源和射频前端模块，MCU和射频模块之间还有时钟、放大电路和扩展接口。
首先来看MCU自带的Micro USB接口。Infineon XMC4200 MCU集成了USB2.0 OTG Controller和USB PHY，但在Distance2Go上目前只是工作于USB Device模式，用于和上位机通信。Micro USB连接器附近用TVS实现数据线的ESD保护，二极管和π形滤波电路分别提供电源防反接/防倒灌和噪声抑制。1Mohm电阻和100nF电容用于机壳地和数字地的EMI隔离。
Debugger的USB接口采用完全相同的设计，需要注意的是这里的5V电源除了Debugger以外还会给整个系统供电。
除了板载Debugger外，Distance2Go还预留了一个独立的JTAG/SWD接口，可以外接仿真器。
作为Demo和评估板，Distance2Go将几乎所有的重要控制信号（SPI、UART）和模块信号（VFINE、VCOARSE、IFI、IFQ）都引到两派排针上来。
这样做带来诸多好处。比如方便测试，即使盖上外壳也可以用示波器在排针上测量各个关键信号。另外还可以屏蔽掉板载的XMC4200MCU，对于只想复用射频系统的用户可以轻松地将SPI、IF和控制GPIO接到自己的板卡上，用诸如STM32、FPGA等其他控制器快速实现相同的方案。
解释完外部接口，再来看下Distance2Go主要的三组内部接口。
第一组是SPI控制接口，MCU做为SPI Master，总线上挂了两个SPISlave，分别是BGT24MTR11和PLL芯片LMX2491，二者有独立的片选。可以说几乎所有的FM时钟和射频收发器配置都是通过SPI来完成的。由于Slave器件上只有MOSI没有MISO，这组SPI总线只能用来下配置，无法回读当前的配置和器件状态。
第二组为IF接口。BGT24MTR11输出两个IF差分接口，IFI和IFQ（90°正交相位）。两组IF差分信号分别经过IF放大电路转换成单端信号，并进行两级放大。第一级放大结果（LowGain）和第二级放大结果（High Gain）分别输出给MCUADC进行采样。
最后一组就是时钟控制环路。
Distance2Go的默认工作方式是采用TI的PLL芯片来控制BGT24MTR11内部的VCO产生24GHz~24.25GHz FM时钟。控制方式是PLL的CPout电荷泵输出可变电压接到VCO的电压控制输入口控制VCO的频率，同时BGT24MTR11通过Q1/Q1N输出差分时钟作为频率反馈回路。PLL的优点是精度高，Jitter较低，缺点是芯片成本高。
另外评估板上还预留了一条控制通道，即通过MCU的DAC输出可变电压VCOARSE，粗调VCO频率，并将BGT24MTR11的Q2反馈时钟输入到MCU内部，通过计数器和软件环路算法来控制VCO产生FM时钟。使用MCU控制VCO时，需要对硬件进行改动，如焊接R12、R13电阻等，具体可以参考Infineon的Application Note。使用MCU进行控制VCO可以节省成本，Distance2Go的前身Sense2Go就是采用这种方式，但是软件环路引入的Jitter和控制精度问题就需要额外关注了。
文末附上Distance2Go的主要器件Datasheet：
XMC4200.pdf
(3.84 MB, 下载次数: 12)
| 
发表于 2018-12-19 13:59:49
发表于 2019-1-7 11:44:23
/4 
