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1、基于DSP的汽车防撞雷达系统的设计摘要提出了一种用高性能DSP 芯片TMS320VC5416 担任数字信号处理任务, CPLD 完成控制和接口逻辑, 单片机AT89C51 提供人机通道和其余协调工作的汽车防撞警示雷达信号处理部分的原理方案, 并简要介绍了FFT算法和VC5416的基本机构。采用混合编程来完成系统的软件部分，充分发挥DSP快速的运算功能又利用了c语言的灵活控制流程优势。关键字：汽车 防撞系统 毫米波雷达 VC5416AbstractIn this paper a method of high performance DSP chip TMS320VC5416 as a digit
2、al signal processing tasks, CPLD complete control and interface logic, single chip microcomputer AT89C51 man-machine channel and the rest to provide the coordination work the automotive anti-collision warning radar signal processing part of the principle project, and briefly introduces the FFT algor
3、ithm and VC5416 basic structure. The hybrid programming to complete system software parts, give full play to the operation function and DSP fast by the c language flexible control process advantage.key word：The automotive anti-collision system millimeter wave radar VC54161 引言汽车是现代社会最重要的交通设备之一，随着汽车数的
4、急剧增加，交通事故给社会带来巨大的社会损失和经济损失。在高速公路上,车辆行驶速度快, 交通追尾所造成的交通事故居多, 若在能见度低的雨、雪、雾等天气条件, 或驾驶疲劳的情况下, 将影响驾驶员对前方目标的识别, 驾驶员难及时发现前方障碍物并及时采取措施, 极易引发交通事故。在驾驶员、交通环境和汽车性能三者当中,驾驶员的综合素质是最不确定也是最不可控的因素。从公路交通事故的分析表明, 80%以上交通事故是由于反应不及时引起, 若驾驶员能够提前1S 进行预防, 则可避免90%的事故发生。1采用汽车雷达检测前方障碍物的相对距离和速度，提前预警，可有效降低交通事故的发生。2 TMS320VC5416简介
5、TMS320VC5416 DSP STARTER KIT（DSK）是TI 公司向DSP 应用者提供的DSP 系统开发平台和应用评估工具。TMS320VC5416 DSK 主要包括一块VC5416 目标板和一个运行于PC 机的集成开发环境Code Composer Studio v2.1 IDE。VC5416 目标板通过USB 口与主机相连。用户应用Code Composer Studio（CCS） 完成程序的编写，再经过编译和连接等过程生成可执行代码，可执行代码被下载到目标板上的存储器中运行。CCS 还提供了丰富的调试功能，在程序运行过程中，用户可以实时的控制代码的运行状态、观察DSP 寄存器
6、和存储器中的内容变化、监视程序对目标板上不同资源的使用情况以及与主机I/O。图1 DSP芯片的总体结构图从上图可以看出，DSP芯片具有计算，存储，和通信的功能。这恰好与数字思想是吻合的。只要对数字比特进行运算和存储及传输就能完成任何复杂的功能，这就是数字化的思想。在此CPU充当计算功能，而片内存储起数据缓存作用，另外片内外围电路则是传输通道。3防撞雷达方案比较目前汽车防撞技术按目标探测方式和工作原理的不同,主要有超声波、红外线、激光、以及毫米波。其中前三种雷达都是通过对回波的检测, 与发射信号相比较, 得到脉冲或相位的差值, 从而计算出发射波与回波的时间差, 再分别根据超声波、红外线、激光在空
7、气中的传播速度, 计算出与目标物的相对距离。这三种技术的汽车雷达结构简单, 成本低, 但使用过程存在不同程度的局限性。红外线测距在技术上难度不大, 但受天气的影响较大,4 且红外线穿透力不强, 在长距离探测方面不能满足汽车防护的要求。超声波同样受大气紊流和气涡的影响, 且探测距离短, 主要用于倒车雷达等近距离测距。激光具有高单色性、方向性和相干性强等特点, 且光束很少扩散,波速能量集中, 适用于远距离测量, 在汽车防撞领域, 受汽车的震动以及反射镜面磨损、污染、灰尘等因素影响较大, 测距精度难以保证。与超声波、红外线、激光相比, 毫米波雷达分辨率高, 不受大气絮流的影响, 而且穿透能力很强,
8、受雨、雪、雾等天气的影响较小。同时毫米波多谱勒频移大, 不仅可以测量目标的距离, 还可以测量目标的相对速度, 因较好的稳定性和适应性特点, 毫米波雷达成为最有发展潜力的汽车防撞雷达。4基于DSP 的毫米波雷达系统4.1毫米波雷达原理毫米波波长为110mm。毫米波雷达向外发射的频率随时间线性变化，若有目标时反射回波，将发射波和回波信号混频，从混频器输出，再从频谱信号中提取含目标相对距离和速度信息。对FMCW（调频连续波）汽车雷达，发射波频率按周期性三角波变化2，设发射波和回波时间差td，则：2RCtd (1)式中：R 为目标距离；C 为光速。根据多谱勒效应原理，当发射物体和反射物体相对运动时，将
9、产生频移fd，且以下公式成立3：V(C fd)/2f0 (2)图1 发射波与回波波形如图1，设发射信号上升和下降阶段分别为f(t+)、f(t-)，K 为斜率，则： f(t+)fmin+kt (3)f(t-)fmax-kt (4)对应回波信号为fb(t+)、fb(t-)：fb(t+)fmin+k(t-)+fd (5)fb(t-)fmin-k(t-)+fd (6)混频后输出的差拍信号为：fe (t + ) = f (t + ) fb(t + ) = k t fd (7)fe (t ) = f (t ) fb(t ) = k t + fd (8)计算出目标的相对距离R 和相对速度V 为：R = CT
10、fe (t ) + fe (t+ ) 4F v=Cfe(t)fe(t+) 4f0 (10)F 为发射波带宽，f0 为发射波中心频率。14.2 系统硬件设计图2 系统硬件原理框图主处理器采用TI 公司16 位定点数字处理器TMS320VC5416。DSP 完成数据采集和处理，利用DSP 处理数字信号快的特点，对采集信号进行数字滤波和FFT 变换。从处理器采用单片机AT89C51，完成人机交互、显示和控制报警。键盘可设置系统运行参数和不同条件（如车速、不同天气状况）下的报警门限，并由LCD 中文显示。当主处理器运算后得到目标信号（距离、车速）超过设定门限时，经AT89C51 控制声光报警。CPLD
11、 完成A/D 转换芯片的启动、地址译码、各种控制逻辑信号的产生及VC5416 与单片机间的数据交换。A/D 转换芯片采用THS1206 的12 位多通道高速并行A/D 转换器。作单输入通道时，采样频率达6M，芯片内部集成16 字节的FIFO，采样转换数值自动写入FIFO。由控制器设置触发水平，向DSP 发出中断请求。为快速读取采样数据，减少中断次数，设置触发水平为8，当连续8 个采样值写入FIFO 时，THS1206 向DSP 发出中断请求，并连续读取8 个采样值到RAM。闪存用来存放主程序，系统加电后将其装载到DSP 内部RAM 中运行。24.3 信号的产生及处理根据多谱勒效应原理, 发射信
12、号的频率越高, 频移越大,越容易测量,选择中心发射频率为35GHz，该频率是毫米波波段中在大气衰减最小的传播频段。为保证FMCW连续波的线性度，采用VCO 压控震荡电路得压频曲线线性度，经天线向外辐射。因发射功率不大，信号在空气中传播会衰减部分能量，从混频器输出的差拍信号较小，且含杂波信号，需对差频信号先放大，低通滤波后，再中频放大送A/D 转换器。34.4 系统软件实现应用程序采用在C语言和汇编语言混合编程的方法，即在算法运算量大的地方，用手工编写的方法编写汇编语言，而运算量不大的地方则采用高级语言。采用这种方法，既可缩短软件开发的周期，提高程序的可读性和可移植性，又能满足系统实时运算的要求
13、，同时还会充分发挥DSP快速的运算功能又利用了c语言的灵活控制流程优势。DSP需要完成的主要任务有：(1)启动AD转换并读取转换后的数据；(2)目标提取，包括数据预处理(杂波滤除、时域加窗)、功率谱估计、谱峰搜索、危险目标确定。4图3 系统软件流程图软件的工作流程如图3所示。系统首先初始化，对有关的寄存器和存储单元进行设置，使系统处于正常工作状态，然后进行数据采集、AD转换，将采样数据目的地址指针初始化为2000H，采样中断服务子程序每读取一个采样值，该地址指针就自动加1，指向下一个采样数据存储单元。5计数器被始化为400H，中断服务子程序每执行一次，计数器的值就减1，当计数器的值减为0时，中
14、断服务例程执行了1 024次，得到8 X 10个采样值，存放在数据存储空间2000H3FFFH 中。此后THS1206的采样时钟信号关闭，停止工作。接下来主程序开始对采样数据进行LMS自适应滤波和F盯计算，并从中找到最大谱线强度所对应的频率，把它视为中频频率，由此计算出目标距离和速度；判断距离值是否在安全距离，若小于安全距离值，则进行报警。6利用DSP片内定时器1的定时功能，可以使程序每隔50 ms就进行1次从数据采样到距离速度显示的循环执行，从而实现距离与速度的实时获取。4结论汽车防撞雷达是提高汽车行驶安全的方法之一, 本文的主要创新点在于将调频连续波(FMCW)应用于汽车防撞雷达中, 抗干
15、扰性强, 并采用高性能数字信号处理器DSP, 系统处理速度快、稳定性好。该雷达经多次试验, 探测距离可达100m以上, 且虚警率低。通过人机交互接口可设置在不同运行环境下的预警门限, 提高驾驶员的安全系数, 降低交通事故率, 有较好的应用前景。5 参考文献 1 黄艳国，吴翠琴，许伦辉. DSP 在毫米波汽车防撞雷达系统中的应用A.自动测量与控制, 2007,26 (7): 63-69.2 黄艳国肖定华许伦辉. 基于DSP 的毫米波汽车防撞雷达系统B.DSP 开发与应用, 2008: 69-223.3 朱珂. 汽车防撞系统与毫米波雷达. 轻型汽车技术.2003(10):工业仪表与自动化装置, 2003, (3): 80-84.4 陈海宁，陈照章，梁品，姜子晴. 基于DSP的汽车防撞雷达系统的实现.仪表技术与传感器, 2009, (3): 84-86.5 龙宪惠, 刘炜. 高性能数字信号处理芯片TMS320VC5402 在汽车防撞警示雷达中的应用.四川大学学报( 自然科学版), 2011, (4): 514-517.6 贺乐厅, 孙利生, 等. 汽车防撞雷达实验系统的研制J.工业仪表与自动化装置, 2003, (3): 14-16.
