Pengembangan Through-Wall Radar untuk Life Detector
IV. PENGEMBANGAN AKUISISI DATA
4.4. Pemrograman CPLD, EZ-USB, dan PC Host.
CPLD diprogram sebagai master eksternal untuk slave FIFO USB. CPLD meneruskan data dan clock dari ADC ke interface FIFO dari EZ-USB. Kode program dapat dilihat pada Listing 4.1.
Listing 4.1. modulewr_fifo(
clk, data_in, u_ifclk, data_out, u_slwr, u_slrd, u_sloe, u_addr0, u_addr1, u_flagb );
//input :
input clk; //input clk dari ADC; input u_flagb;
input [15:0] data_in; //data dari ADC; //USB interface : output u_ifclk, u_slwr, //-->u_slwr#; u_slrd, //-->u_slrd#; u_sloe, //-->u_sloe#; u_addr0, u_addr1; //output
output [15:0] data_out; //fifo_db[15:0]; reg u_slwr, //-->u_slwr#;
u_slrd, //-->u_slrd#;
u_sloe; //-->u_sloe#;
reg [15:0] data_out; //-->fifo_db[15:0]; wire u_ifclk; //internal registers : reg [1:0] STATE; parameter IDLE='H0, WRITE_READY='H1, WRITE='H2; always @(negedgeclk) begin if(!rst) begin data_out<='hffff; u_slwr<='b1; u_slrd<='b1; u_sloe<='b1; STATE<=IDLE; end else begin case(STATE) IDLE: begin STATE<=WRITE; end WRITE: begin if(u_flagb) begin
124 u_slwr<='b0; data_out<=data_in; STATE<=WRITE; end else begin u_slwr<='b1; STATE<=IDLE; end end default: STATE<=IDLE; endcase end end
Reset_Delay u1(.iCLK(clk), .oRESET(rst));
assignu_addr0 = 'b0; assignu_addr1 = 'b1; assignu_ifclk = ~clk;
endmodule
EZ-USB diprogram dengan firmware slavefifo yang tersedia sebagai contoh pada software development kit (SDK) EZ-USB. Firmware ini memprogram EZ-USB sebagai slave FIFO dengan konfigurasi sebagai berikut.
• EP2 512 2x BULK OUT - 8-bit async AUTO mode
• EP4 512 2x BULK IN - 8-bit async AUTO mode
• EP6 512 2x BULK OUT - 8-bit async AUTO mode
• EP8 512 2x BULK IN - 8-bit async AUTO mode
• FIFO strobes and flags are all active low
• FLAGB - fixed EP4FF
• FLAGC - fixed EP6EF
• FLAGD - fixed EP8FF
• SLCS isn't being used
• FX2 can't signal zerolen OUT token to the master
Untuk driver USB digunakan driver standar dari EZ-USB yaitu CyUSB.sys.
Akses ke EZ-USB dari PC dilakukan dengan sebuah program yang ditulis dengan C++. Program ini menggunakan class CyUSB untuk keperluan akses ke driver CyUSB, sehingga perlu ditambahkan referensi ke CyUSB class (CyUSB.dll) pada project property dan ditambahkan namespcae CyUSB dalam kode program, seperti pada Listing 4.2.
Listing 4.2.
usingnamespace CyUSB;
Perlu didefinisikan beberapa variabel, seperti pada Listing 4.3. Listing 4.3. private: CyUSBDevice ^ loopDevice; USBDeviceList ^ usbDevices; CyBulkEndPoint ^ inEndpoint; CyBulkEndPoint ^ outEndpoint; Thread ^ tXfers; bool bRunning; int value;
long outCount, inCount;
array<Byte,1> ^ outData;
array<Byte,1> ^ inData;
Variabel loopDevice harus diset pada saat USB dihubungkan ke PC. Untuk itu dibuat fungsi setDevice yang dipanggil setiap ada event DeviceAttached dan DeviceRemoved dari divais CyUSB, seperti pada Listing 4.4.
126 Listing 4.4. public: void setDevice() { loopDevice = (CyUSBDevice^)usbDevices[0x1967, 0x0911]; StartBtn->Enabled = (loopDevice != nullptr);
if (loopDevice != nullptr){
Text = loopDevice->FriendlyName; SetEndPoint();
} else
Text = "Through Wall Radar - no hardware"; }
Transfer data sesungguhnya dilakukan oleh sebuah thread yang didefinisikan pada Listing 4.5.
Listing 4.5.
public:
void TransfersThread() {
int xferLen = XFERSIZE; bool bResult = true;
// Loop stops if IN transfer fails
SetOutputData(); xferLen = XFERSIZE;
for (; bRunning && bResult && inCount<1024*1024; ) {
bResult = inEndpoint->XferData(inData, xferLen); inData->CopyTo(radarData,inCount);
inCount += xferLen; }
bRunning = false; }
4.5. Pengujian
Modul yang dikembangkan diuji untuk mengakuisisi sinyal-sinyal dengan berbagai frekuensi dan amplitudo pada sampling rate sekitar 6 Msamples/s. Data digital di-plot menggunakan sebuah fungsi plot sederhana yang ditambahkan pada program yang digunakan untuk mengakses USB.
Gambar 4.6. Plot sinyal 100kHz 2Vpp.
Gambar 4.6 dan 4.7 menunjukkan plot sinyal-sinyal sinusoidal dengan frekuensi 100kHz dan amplitudo masing-masing 2Vpp dan 1Vpp, yang telah didigitalkan menggunakan modul yang dikembangkan. Bentuk sinyal yang masih sempurna membuktikan bahwa modul akuisisi data bekerja dengan baik.
128
Gambar 4.8. Plot sinyal 100kHz 2.2Vpp.
Gambar 4.8 menunjukkan plot dari sebuah sinyal sinusoidal dengan frekuensi 100kHz dan amplitudo 2.2Vpp. Kliping pada level di atas 1V dan di bawah -1V menunjukkan bahwa ADC bekerja pada rentang tegangan input antara -1Vdan +1V. Tegangan di bawah dan di atas rentang tersebut masing-masing akan akan menghasilkan output data digital minimum dan maksimum serta mengaktifkan sinyal output overrange dari AD9235.
Gambar 4.9. Plot sinyal 38kHz 2Vpp.
Gambar 4.9 menunjukan plot dari sebuah sinyal sinusoidal dengan frekuensi 38kHz dan amplitudo 2Vpp yang telah didigitalkan. Sinyal telah mengalami perubahan bentuk dan penurunan amplitudo. Perubahan bentuk dan penurunan
amplitudo lebih parah terjadi pada frekuensi di bawahnya, sebagaimana ditunjukkan oleh plot sebuah sinyal, dengan frekuensi 19kHz dan dengan amplitudo yang sama, pada Gambar 4.10.
Gambar 4.10. Plot sinyal 19kHz 2Vpp.
V. KESIMPULAN
Sebuah pembangkit chirp widaband telah dirancang dan direalisasikan. Pembangkit ini menggunakan sebuah DDS dan sebuah VCO sebagai komponen utama. Untuk DDS digunakan AD9956 dari Analog Devices dalam bentuk evaluation board dan untuk VCO digunakan HMC-C029 dari Hittite.
Subsistem yang dikembangkan telah menghasilkan sinyal chirp dari 6750 sampai 9250MHz. Namun derau fasa dari sinyal belum bisa diterima karena akan mengakibatkan penurunan resolusi dan masalah pada pengolahan Doppler. Maka dari itu masih diperlukan perbaikan pada rangkaian filter loop.
Sebuah modul akuisisi data sederhana untuk sistem radar FM-CW telah dikembangkan. Modul menggunakan IC CY7C68013A dari keluarga EZ-USB dari Cypress Semiconductor yang difungsikan sebagai slave FIFO. Untuk master FIFO digunakan IC CPLD Max II EPM1270T144 dari Altera. Sedangkan untuk ADC digunakan AD9235 dari Analog Device.
Modul bekerja dengan baik terutama pada frekuensi di atas 50kHz. Rangkaian input pada evaluation board AD9235 merusak bentuk sinyal dengan frekuensi di bawah 50kHz, sehingga evaluation board tidak cocok untuk digunakan dalam
130
aplikasi radar FM-CW. Untuk itu perlu dibuat rangkaian input yang lebih cocok untuk frekuensi rendah.
REFERENSI
1. Aqsa, Patel, Signal Generation for FMCW Ultra-Wideband Radar, Master of Science Thesis, Electrical Engineering and Computer Science, University of Kansas, 2009
2. Jang, B.-J. et al., Wireless Bio-Radar Sensor For Heartbeat And Respiration Detection, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 5, 149–168, 2008 3. D'Urso , M. et al., A Simple Strategy For Life Signs Detection Via An X-Band
Experimental Set-Up, Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 9, 119-129, 2009
4. Boric-Lubecke, Olga et al., Doppler Radar Architectures and Signal Processing for Heart Rate Extraction, Microwave Review, Decembar 2009
5. Yamaguchi, Yoshio et al., Human Body Detection in Wet Snowpack by an FM- CW Radar, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol.30, No.1, January 1992
6. Purdy, Robert J. et al., Radar Signal Processing, Lincoln Laboratory Journal, Volume 12, Number 2, 2000
7. Yamaguchi, Yoshio et al., Detection of Objects Buried in Wet Snowpack by an FM-CW Radar, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol.29, No.2, March 1991
8. Millot, P. and Maaref, N., UWB FM-CW Radar for Through-The-Wall Sensing, 9. Ferrier, Jean Marie, Comparison of Two UWB Techniques: Step Frequency and
FMCW Technique,
10. Maaref, Nadia, FMCW Ultra-Wideband Radar For Through-The-Wall Detection of Human Beings,
11. Harris, T. L. et al., Range-Doppler Radar Signal Processing with Spectral Holography,
12. Hamran, Svein-Erik et al., Gated UWB FMCW/SF Radar for Ground Penetration and Through the Wall Applications
13. Ivashov, S.I. et al., Detection of Human Breathing and Heartbeat by Remote Radar, Progress in Electromagnetic Research Symposium 2004, Pisa, Italy, March 28 - 31
14. I.J. et al., Immoreev, Ultra-Wideband Radar For Remote Detection And Measurement Of Parameters Of The Moving Objects On Small Range, Ultra Wideband and Ultra Short Impulse Signals, 19-22 September, 2004, Sevastopol, Ukraine pp. 1-3
15. Immoreev, Igor Y., Practical Application Of Ultra-Wideband Radars, Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals, 18-22 September, 2006, Sevastopol, Ukraine
16. Purwoko Adhi, Pembangkitan Chirp untuk Radar FM CW Menggunakan DDS, Prosiding Seminar Radar Nasional 2009.
17. 2.7 GHz DDS-Based AgileRFTM Synthesizer (AD9956 Datasheet), Analog Devices, Norwood, USA, 2004.
18. Evaluation Board for 2.7 GHz DDS-Based AgileRF™ Synthesizer, Analog Devices, Norwood, USA, 2005.
19. A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis, Analog Devices, Norwood, USA, 1999
20. Mahafza, Bassem R., Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB, 2nd Edition, Chapman and Hall/CRC, Boca Raton, 2005.
21. Miller, Gary M. and Beasley, Jeffrey S., Modern Electronic Communication, 7th Edition, Prentice Hall, 2002.
22. Mahafza, Bassem R., Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB, 2nd Edition, Chapman and Hall/CRC, Boca Raton, 2005.
23. Miller, Gary M. and Beasley, Jeffrey S., Modern Electronic Communication, 7th Edition, Prentice Hall, 2002.
24. 12-Bit, 20/40/65 MSPS 3V A/D Converter, AD9235 Datasheet, Analog Devices, Norwood, MA, USA, 2004
25. EZ-USB Technical Reference Manual, Cypress Semiconductor, San Jose, CA, USA, 2005.
26. EZ-USB FX2LP™ USB Microcontroller, Cypress Semiconductor, San Jose, CA, USA, 2005.
27. EZ-USB Getting Started Development Kit Manual, Rev 1.0, Cypress Semiconductor, San Jose, CA, USA, 2005.
28. CyUsb.sys Programmer's Reference, Cypress Semiconductor, San Jose, CA, USA, 2003.
132
29. CyAPI Programmer's Reference, Cypress Semiconductor, San Jose, CA, USA, 2003.
30. USB Console Users' Guide, Cypress Semiconductor, San Jose, CA, USA, 2003. 31. MAX II Device Handbook, Altera Corporation, San Jose, CA, USA, 2009.