Rilevare il livello dei fluidi con le onde millimetriche

L’utilizzo delle tecnologie di rilevamento mmWave è cresciuto enormemente negli ultimi anni. Le applicazioni industriali includono il radar di rilevamento del livello del serbatoio, sistemi di sicurezza, visione robotica e monitoraggio del traffico. Per il rilevamento del livello dei fluidi, i sensori offrono un’elevata precisione e robustezza in varie condizioni ambientali, tra cui polvere e temperature estreme. L’industria sta vivendo un cambiamento verso l’uso della banda di frequenza 75 - 85 GHz per via delle sue dimensioni più ridotte, dell’elevata direzionalità dell’antenna, della maggiore disponibilità di banda e dei vantaggi prestazionali. I requisiti per un sensore mmWave in termini di memoria del cubo dati del radar, dei milioni di istruzioni al secondo per l’elaborazione e del monitoraggio della sicurezza funzionale variano tra le diverse applicazioni. Il sensore IWR1443 mmWave di Texas Instruments comprende l’intero front end Rf mmWave e la catena di segnale a banda base analogica per un massimo di 3 trasmettitori e 4 ricevitori, nonché una Mcu programmabile e l’acceleratore hardware per l’elaborazione del segnale. Il front end ad alte prestazioni genera rampe ad alta velocità estremamente lineari e supporta una banda base complessa con un’ampia larghezza di banda a frequenza intermedia per radar ad onda continua ad alta velocità modulati in frequenza. Il sistema di elaborazione supporta applicazioni con modesti requisiti di memoria e di elaborazione Mips. Questa combinazione di un front end ad alta precisione e di elaborazione integrata è ideale per il rilevamento del livello dei fluidi, dove la precisione è fondamentale.

Un’architettura di alto livello

Per iniziare, è possibile analizzare l’architettura di alto livello e le caratteristiche del sensore IWR1443 a chip singolo da 77 GHz mmWave che comprende 3 catene di trasmissione e 4 di ricezione, un processore Arm Cortex R4F da 200 MHz programmabile dall’utente e un acceleratore hardware radar. Il dispositivo comprende 3 sottosistemi principali: il sottosistema Rf/analogico, il sottosistema del processore radio e il sottosistema master. Il sottosistema Rf/analogico include i circuiti Rf e analogici: il sintetizzatore, l’amplificatore di potenza, l’amplificatore a basso rumore, il mixer, l’amplificatore If e il convertitore analogico-digitale. Questo sottosistema comprende anche un oscillatore al cristallo e sensori di temperatura. La generazione di chirp Fmcw avviene direttamente nel sintetizzatore di frequenza a 20 GHz a circuito chiuso. Il sottosistema del processore radio include il front end digitale, il generatore di rampa e un processore interno per il controllo e la configurazione di registri a basso livello Rf/analogico e del generatore di rampa sulla base di un’interfaccia di programmazione delle applicazioni ben definita dal sottosistema master. Il front end digitale si occupa di filtrare e decimare l’output Adc sigma-delta grezzo e fornisce i campioni di dati Adc finali a una frequenza di campionamento programmabile. Il sottosistema master include il processore Arm Cortex R4F con clock a 200 MHz, programmabile dal cliente. Questo processore controlla il funzionamento complessivo del dispositivo, implementa l’elaborazione del segnale e configura le operazioni di trasmissione/ricezione front end con messaggi Api ben definiti, scritti sul processore radio tramite un’interfaccia mailbox. L’IWR1443 mmWave può funzionare come sensore autonomo e comunicare con un bus Can privato tramite l’interfaccia Can o utilizzando l’interfaccia seriale periferica. Il dispositivo comprende un quad Spi, che può scaricare il codice cliente direttamente da una Flash seriale. In alternativa, il dispositivo può operare sotto il controllo di un host interno al sensore, che può comunicare con il dispositivo e comandarlo tramite l’interfaccia Spi, incluso il download dei codici tramite tale interfaccia. Un’ulteriore interfaccia Spi/I2C è disponibile per il controllo del circuito integrato di gestione della potenza quando si utilizza l’IWR1443 mmWave come sensore autonomo. Sebbene siano presenti quattro interfacce nel sensore IWR1443 per la comunicazione e il controllo Pmic, solo due di queste interfacce sono utilizzabili in ciascun dato momento. La memoria totale disponibile nel sottosistema master è 576 KB. La memoria è partizionata tra Ram di programma R4F, Ram dati R4F e memoria dei dati radar. La dimensione massima utilizzabile per l’R4F è 448 KB, partizionati tra le memorie strettamente accoppiate dell’R4F: TCMA (320 KB) e TCMB (128 KB). Anche se gli interi 448KB sono una memoria unificata e utilizzabile per la programmazione o i dati, le applicazioni tipiche utilizzano la TCMA come memoria di programma e la TCMB come memoria dati. La memoria residua, a partire da un minimo di 128 KB, è disponibile come memoria dati del radar per la memorizzazione del cubo dati del radar. È possibile aumentare la dimensione della memoria dei dati del radar a incrementi di 64 KB a costo di una corrispondente riduzione del programma R4F o delle dimensioni della Ram dati. Il sottosistema master comprende anche un acceleratore hardware radar per assistere l’R4F con calcoli di elaborazione del segnale radar utilizzati di frequente come la trasformata veloce di Fourier e la grandezza logaritmica.

Sintesi di frequenza a ciclo chiuso

Per un controllo preciso dei processi industriali, il rilevamento del livello del fluido e il radar di sondaggio del livello del serbatoio richiedono misure di campo ad alta precisione per mantenere un controllo serrato sull’utilizzo del liquido e consentire la rilevazione precoce di eventuali perdite o traboccamenti. Diversi fattori influenzano la precisione del campo in un sensore mmWave, tra cui la larghezza di banda Rf, il rapporto segnale/rumore, la forma e la stabilità del target del radar e le imperfezioni nella modulazione del radar. Per un radar Fmcw (Frequency-modulated continuous-wave) queste ultime imperfezioni sono correlate alla non linearità della generazione della rampa e al rumore di fase del dispositivo. Il blocco di generazione di frequenza diventa quindi il blocco più critico per ottenere un’elevata precisione in quanto limita in genere totalmente la linearità, il rumore di fase e la larghezza di banda Rf. I sistemi radar Fmcw tipici utilizzano un oscillatore controllato in tensione a circuito aperto pilotato da un convertitore digitale/analogico per generare le rampe radar. Questo approccio conduce a notevoli non linearità e instabilità nel tempo, che rovinano il picco Fft e portano a imprecisioni nel campo stimato. Questa imprecisione non può che peggiorare al crescere della larghezza di banda di sweep, limitando la maggior parte dei sistemi a 2 GHz di larghezza di banda o meno. Il sensore IWR1443 mmWave di TI comprende un circuito Pll a circuito chiuso che consente la generazione di chirp ad elevata linearità, migliorando la precisione del campo. Il supporto per la larghezza di banda da 4 GHz senza alcun degrado di linearità migliora ulteriormente la precisione del campo, in quanto l’accuratezza in micrometri è inversamente proporzionale alla larghezza di banda Rf. Attraverso l’utilizzo della tecnologia Cmos mmWave di TI, il Pll a N frazionario può essere molto efficiente e sopprimere comunque il rumore di quantizzazione, eliminando eventuali compromessi tra linearità e rumore di fase. Le forme d’onda mmWave generate in sincrono consentono una maggiore libertà in un’applicazione di rilevamento del livello del fluido. In particolare, è possibile generare con precisione due rampe che partono da frequenze diverse senza alcun errore aggiuntivo su una singola rampa. Una rampa da 1 GHz può essere generata a 76-77 GHz, seguita da una rampa da 4 a 77 - 81 GHz. Digitando insieme le forme d’onda riflesse da entrambe le rampe, l’accuratezza migliora ulteriormente del 25%.

L’acceleratore hardware radar

Il modulo acceleratore hardware radar consente di scaricare i calcoli utilizzati di frequente per l’elaborazione del segnale radar Fmcw dal processore R4F. L’elaborazione del segnale radar Fmcw prevede l’utilizzo di calcoli Fft e di grandezza logaritmica per ottenere un’immagine radar su dimensioni del campo, velocità e angolo. Alcune funzioni frequentemente utilizzate nell’elaborazione del segnale radar Fmcw avvengono nell’acceleratore hardware radar, mentre gli algoritmi proprietari relativi al clustering o al tracciamento degli oggetti si trovano nel processore R4F. L’acceleratore hardware radar comprende quattro memorie, ognuna da 16 KB, che inviano dati in ingresso ed estraggono dati in uscita al/dal motore dell’acceleratore principale. Queste memorie sono definite memorie locali dell’acceleratore hardware radar e sono separate dai 576 KB di Ram totale. Il flusso di dati generale è portato dal modulo Dma (Direct memory access) sotto forma di campioni nelle memorie locali dell’acceleratore hardware radar in modo che il motore principale dell’acceleratore possa accedere ed elaborare questi campioni. Una volta effettuata l’elaborazione da parte dell’acceleratore, il modulo Dma legge i campioni in uscita da queste memorie locali e li memorizza nella memoria cubo dati del radar o nella Ram dati dell’R4F per ulteriori elaborazioni da parte del processore R4F. Il motivo delle 4 memorie separate da 16 KB all’interno dell’acceleratore hardware radar è di consentire un meccanismo a ping pong sia per l’input sia per l’output, in modo tale che le operazioni di scrittura (e lettura) Dma possano avvenire in parallelo all’elaborazione computazionale principale dell’acceleratore. La presenza di quattro memorie consente tale parallelismo. Due tipi di registri configurano le operazioni dell’acceleratore hardware radar: registri di set di parametri e registri statici. I set di parametri consentono la pre-programmazione di una sequenza completa di operazioni di accelerazione, in modo che l’acceleratore possa eseguirle con un intervento minimo da parte del processore R4F. Una macchina a stati integrata nell’acceleratore gestisce il caricamento di una configurazione di parametri per volta e sequenzia le operazioni preprogrammate, riducendo così la necessità di frequenti interruzioni del processore R4F. La frequenza di clock operativa dell’acceleratore hardware radar è di 200 MHz. L’architettura interna del motore dell’acceleratore permette un throughput Fft di 200 Msps a stato stazionario: un solo input Fft e un solo output Fft per ogni ciclo di clock, dopo una latenza iniziale.

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