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介紹了現今流行的單片射頻收發芯片nRF24E1與具有相關運算功能的特殊芯片TMC2023的性能特點;闡述了信號處理當中的相關運算理論,并將該理論與上述兩個芯片為核心的電路相結合,用于汽車防撞系統當中,從而增強了汽車防撞系統的防撞能力。 隨著時代的發展及社會的進步,越來越多的汽車進入了普通人的家庭。盡管公路條件在不斷改進,但仍然避免不了公路上汽車擁擠的現狀,再加上車速逐漸提高,惡性交通事故無時無刻不在發生,給人們和社會帶來了巨大的生命與財產損失。 汽車防撞系統是一種可向司機預先發出視聽告警信號的探測裝置。通常它安裝在汽車上,能探測企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物;能向司機及乘客提前發出即將發生撞車危險的信號,促使司機甚至撇開司機采取應急措施處理特殊險情,避免損失。當前,盡管各國都在研究防碰撞系統(國際上通常稱為主動安全系統),但怎樣才能更好地解決虛警的問題,始終困擾著相關工作者。國際上的研究者通過大量的實驗研究,已經達成共識,若想有效地解決上述問題,防撞系統必須具有如下功能: (1)必須具備測角能力,目標的方位角信息對于去除虛警是必不可少的; (2)易于產生抗干擾性能強的復雜發射信號,配合實時高效的信號處理和目標檢測算法,用以去除虛警。 只有以上兩點緊密結合起來才能保證汽車防碰撞系統的可靠性。 1 TMC2023芯片和nRF24E1芯片特點介紹 TMC2032是一種新型的全數字相關器電路,其相關字長和相關門限可編程。該芯片是美國TRW公司近年推出的單片64位CMOS全數字相關器大規模集成電路,其內部有三個獨立時鐘的8位移位寄存器(隨機數據寄存器A、本地碼寄存器B和屏蔽碼寄存器M);另外還有一個7位寄存器用來裝載預置的門限值。 0～64之間任意長的隨機數據與本地碼經相關運算后, 以三態緩沖的7位BCD編碼輸出,并與預置的門限值在比較器中比較,若相關值大于或等于門限值,則標志位由低變高。由于采用了先進的高速CMOS生產工藝,并行相關速率高達30MHz以上。可廣泛應用于同步、匹配濾波、誤碼檢測、記錄及條形碼識別中,尤其適合于雷達信號的識別。 nRF24E1是一種工作頻率可達到2.4GHz的無線射頻收發芯片,通道運算時間小于200μs,數據速率為1Mbps,不需要外接SAW濾波器,是目前世界首次推出的全球通用的低成本射頻系統級芯片。內部嵌有與 8051兼容的微處理器和10位9輸入的A/D轉換器,可以在1.9V～3.6V之間的電壓下穩定工作;內部還嵌有電壓調整器和VDD電壓監視器。無線收發部分有與nRF2401同樣的功能,該功能由內部并行口和內部SPI啟動,每一個待發信號對于處理器來講都可以作為中斷進行編程,或者通過GPIO端口傳送給微處理器。芯片nRF24E1可以在世界公用的頻段范圍2.4～2.5GHz內實現無線通訊。收發部分包含有分頻器、放大器、調節器和兩個收發單元。輸出能量、頻段和其它射頻參數可通過射頻寄存器方便地編程調節。在發送模式下,電流消耗只有10.5mA;在接收模式下,電流消耗只有18mA,所以功耗相當低。 2 系統結構 整套信息采集系統由五套射頻發射與接收裝置組成,每套發射與接收部分的基本電路都是一樣的,這五 套收發裝置又與DSP中央處理器相連,中央處理器負責計算它們傳過來的數據,根據實際情況作出決策。 每套發射與接收裝置的結構如圖1所示。首先由以nRF24E1為核心的射頻發射電路產生高頻電磁波,然后由相關運算芯片TMC2032送來的調制信號對其進行調制,從而產生出與其它射頻收發單元不同的射頻信號,為接收做好充分準備。為了使電磁波信號能夠有足夠遠的傳播距離,還需要對調制后的信號進行放大,完成這個功能的電路是功放電路。最后把這樣的一個信號傳向空中。 圖1 射頻收發核心電路 當發出去的電磁波遇到障礙物返回時,首先要經過相關運算芯片TMC2032對之進行識別,若是同組發射部分發出去的則收,并把這個信號進一步傳給射頻接收部分;否則拒絕接收。然后接收部分根據電磁波在空中傳播產生的相位移計算出其傳播所耗的時間,再計算出障礙物與該組收發部分的距離。最后把這個距離信息送給中央處理器。中央處理單片機要同時對五組射頻收發單元傳過來的距離信息作出計算,得出所測的障礙物與車的空間方位。到此,障礙物的信息采集工作基本完成,剩下的就是把這個綜合信息再傳給更高級的中央處理器,讓其作出最后決策。 3 收發單元的布置方案及計算原理 汽車在行駛的過程當中,對于前方的障礙物,要能夠判斷其相對于汽車的空間立體方位才能把前后、左右、上下的障礙物避開;而后面的障礙物,則只需判斷出其與汽車的前后及左右距離即可。所以采取在車前面安裝三個射頻收發系統,并且三套收發系統彼此 之間呈垂直于水平面的三角形分布。在車后面則安裝兩套射頻收發系統,呈水平分布。整個收發系統的安裝如圖2所示。下面給出用射頻收發系統計算障礙物距離的簡單過程。 圖2 汽車防撞系統傳感器分布示意圖 圖3 障礙物距離計算示意圖 障礙物距離計算示意圖如圖3所示,其中A、B、C三點分別代表安裝在車頭前的三個超聲傳感器;E點代表障礙物;則EF表示從E點到水平面的距離,FG代表障礙物到車頭平面的距離,AG表示障礙物到車一側的距離。要求的就是EF、FG及AG這三條能表示出障礙物與汽車的空間相對位置的直線段。解法如下: 在ΔABC中,作 BD AC,連接ED和FD,則可求ΔABC的面積SΔABC,即: SΔABC＝ 式中,S=1/2(T1+T2+T3),T1、T2、T3分別表示線段AB、BC、AC的長度 故 BD=2SΔABC/AC 在ΔADE中, 把射頻收發系統能夠探測到的距離S1、S2、S3與已知距離T1、T2、T3分別替換AE、BE、CE、AB、BC、AC,則可得所求的三個距離EF、FG、AG的值。 4 采用的相關算法 隨著射頻在日常生活中的廣泛應用,人們逐漸發現射頻測距存在著一定缺陷:①有效作用距離比較短,僅靠提高發射功率來增加測量距離是很有限的;②測距精度主要取決于回波信號的信噪比,在一定信噪比情況下,僅靠增加前級放大電路的增益來改善測量精度也是非常有限的。為了解決上述問題,在汽車防撞系統中,設想了基于偽碼調制的射頻發射與接收系統。 白噪聲瞬時值服從高斯分布(正態分布)。它的功率譜密度在很寬的頻帶內是均勻的,而且自相關函數具有δ函數的形狀。偽隨機碼雖然僅有兩個電平,但卻具有類似白噪聲的相關特性,只是其幅度概率分布不再服從高斯分布。所以,可以用偽隨機序列的平衡特性、游程特性和相關特性等來描述白噪聲。偽隨機編碼是用邏輯運算實現的,信號的自相關函數滿足: 可見,當P足夠大時,自相關系數具有尖銳的二電平特性,接近δ函數。在基于偽隨機碼的超聲波測距中,正是利用偽碼自相關函數的尖銳特性來測量發射碼和接收碼之間的延時,從而提高測量精度。m序列偽隨機碼是由線性移位寄存器產生的周期最長的一種序列。由于其相關特性優良,又便于產生,所以得到了廣泛的應用。 根據相關函數定義,設兩個時間函數為x1(t)、x2(t), 則稱為x1(t)的自相關函數; 稱為x1(t),x2(t)的互相關函數; 在信號檢測理論中有兩類問題:一類是檢測信號,即根據接收到的混合信號(信號加噪聲或純噪聲)作出有無信號的判斷;另一類是估計參量,即在已檢測出有無信號的基礎上,對信號的某些參量(例如振幅、相位、頻率、脈沖幅度等)或波形作出估計。為了提高抗干擾性,需要尋求在干擾條件下對信號的最佳接收方法。周期性信號的相關函數仍是周期函數,而干擾噪聲的相關函數則是δ函數。根據這些差別,可利用相關器檢出混在噪聲干擾中的周期性信號。這種利用時域特性上的差別來檢測信號的方法稱為相關接收法。根據參考信號不同,相關接收法又分為自相關接收法和互相關接收法。自相關接收法是在無法確知輸入波形(或數據)的情況下,利用自相關器對之作自相關函數的運算;互相關接收法是在可以確定參考信號的情況下,利用相關器對輸入波形(或數據)與本地信號作互相關函數的運算。本設計中參考信號是本地碼,所以采用互相關接收法。在射頻測距系統中,不僅要對回波信號的有無進行檢測,同時還要對回波信號和發射信號的延時進行精確的測量。這樣才能準確地知道無線電波傳播所用的時間,進而算出障礙物與車之間的距離。 本文運用先進的射頻技術與穩定可靠的相關算法,使汽車具有較強的防撞能力。上述總體設計方案在實驗小車上已經實現,并且在一定程度上能夠解決前面所述的始終困擾著相關工作者的兩個關鍵問題,即已經具備了較靈敏的測角能力和較強的抗干擾能力,這樣就能夠使汽車具有較強的防撞能力。盡管如此,因為汽車行駛過程當中關系著人的生命安全,所以其性能還有待進一步提高, 以增強整個系統的絕對安全性,進而對之進行推廣。 |
