摘 要： 在介紹超寬帶（UWB）技術(shù)理論的基礎(chǔ)上，給出了基于UWB的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法。該系統(tǒng)用以保障汽車駕駛?cè)藛T的行車安全。
關(guān)鍵詞： 超寬帶（UWB） FPGA DSP 汽車防撞
隨著汽車工業(yè)和社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的汽車進(jìn)入普通家庭。盡管公路條件不斷改進(jìn)，仍然避免不了公路上汽車擁擠的狀況，再加上車速逐漸提高，汽車撞車事故日益嚴(yán)重。特別是在高速公路上駕駛汽車速度較高，再加上路況、夜間及雨雪等惡劣天氣的影響以及長(zhǎng)時(shí)間駕駛后駕駛員的疲勞增加等因素，常常在駕駛員發(fā)現(xiàn)前方有情況時(shí)，反應(yīng)時(shí)間已經(jīng)不夠。所以，迫切需要研制一種汽車防撞裝置，以保證在能見(jiàn)度低及駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕駛時(shí)的行車安全。汽車防撞系統(tǒng)是一種可向司機(jī)預(yù)先發(fā)出視聽(tīng)告警信號(hào)的探測(cè)裝置，它安裝在汽車上，能探測(cè)企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物;能向司機(jī)及乘員提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險(xiǎn)的信號(hào)，促使司機(jī)采取應(yīng)急措施來(lái)應(yīng)付特殊險(xiǎn)情，避免損失。
近十幾年來(lái)，美國(guó)、日本和歐洲等多家著名汽車公司投入巨額資金，先后研制成功了24GHz、60GHz、76.5GHz 3種頻率的單脈沖和調(diào)頻連續(xù)波2種體制的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)。事實(shí)上，除雷達(dá)外，諸如超聲波、紅外激光以及視頻等技術(shù)均可考慮用于汽車防撞。但經(jīng)綜合考慮，雷達(dá)技術(shù)最為適合。本文介紹的是基于超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)研制的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)。
1 超寬帶
超寬帶又稱脈沖無(wú)線電(Impulse Radio，IR），被認(rèn)為是未來(lái)5年內(nèi)電信熱門(mén)技術(shù)之一，它的技術(shù)層面已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。事實(shí)上人們對(duì)UWB的研究是非常早的，從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了，但其應(yīng)用一直僅限于軍事、災(zāi)害救援搜索雷達(dá)定位及測(cè)距等方面。1989年首次提出使用“超寬帶”這一術(shù)語(yǔ)。
UWB信號(hào)具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、發(fā)射系統(tǒng)比現(xiàn)有的傳統(tǒng)無(wú)線電技術(shù)功耗低得多，尤其是具有對(duì)其他無(wú)線系統(tǒng)的低干擾特性，并且有很強(qiáng)的抗干擾能力和高精度的距離分辨力。2002年2月14日，UWB無(wú)線技術(shù)用于民用通信首次獲得了美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的批準(zhǔn)，因此引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。FCC規(guī)定[1]，在3.1G～10.6GHz之間的7.5GHz寬度頻率都作為UWB通信設(shè)備所使用。但出于對(duì)現(xiàn)存無(wú)線系統(tǒng)影響的考慮，UWB的發(fā)射功率被限制在1mW/MHz以下。
按照FCC規(guī)定，UWB脈沖信號(hào)定義如下：
式中的fH，fL分別為對(duì)功率較峰值功率下降10dB時(shí)對(duì)應(yīng)的高端頻率和低端頻率，而不是通常所定義的3dB帶寬，fC為中心頻率。
傳統(tǒng)的UWB系統(tǒng)使用一種被稱為“單周期(monocycle)脈沖”的脈沖。在計(jì)算機(jī)仿真中采用高斯脈沖來(lái)近似代替，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
則重復(fù)周期為T(mén)的脈沖表達(dá)式為：
式（4）的信號(hào)表達(dá)式類似脈沖雷達(dá)的信號(hào)形式，這里脈沖寬度是ns量級(jí)，比傳統(tǒng)脈沖雷達(dá)脈沖窄許多。所以進(jìn)行測(cè)量定位可以獲得很高的距離分辨率。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
基于超寬帶技術(shù)的汽車防撞系統(tǒng)是全新的探測(cè)技術(shù)，它通過(guò)發(fā)射GHz量級(jí)超寬帶信號(hào)探測(cè)目標(biāo)，用雷達(dá)原理測(cè)距測(cè)速，通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)的回波來(lái)判斷目標(biāo)的存在。汽車?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想是考慮到交通事故往往發(fā)生在路況復(fù)雜、能見(jiàn)度差、駕駛員疲勞的情況下，所以其主要的設(shè)計(jì)目的是及早發(fā)現(xiàn)前方有潛在危險(xiǎn)的目標(biāo)，提供一個(gè)多媒體報(bào)警顯示平臺(tái)，及時(shí)提醒駕駛員做出相應(yīng)的處理動(dòng)作。該防撞雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
(1)全天候型警示雷達(dá)系統(tǒng)，在霧、雪、夜等各種惡劣的氣象環(huán)境和復(fù)雜的路況條件下均可正常工作。
(2)脈沖形式：UWB脈沖。
(3)發(fā)射機(jī)輸出功率：5mW。
(4)天線水平波束寬度：6°。
(5)作用距離：200m。
(6)更新速率：40次/秒。
根據(jù)UWB汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)包括4個(gè)部分：UWB脈沖產(chǎn)生、發(fā)射及接收、信號(hào)處理和數(shù)碼顯示報(bào)警。系統(tǒng)中采用Xilinx公司的大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA與TI公司的DSP芯片相結(jié)合，主要功能均由用戶通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，從而使系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、結(jié)構(gòu)靈活、可靠性高以及具有較好的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。
系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)射端發(fā)射UWB脈沖，接收端接收到的雷達(dá)回波模擬信號(hào)經(jīng)AD公司的AD9042變換為原始雷達(dá)數(shù)字信號(hào)。FPGA中通過(guò)可編程電路產(chǎn)生地址和控制信號(hào)，從而將數(shù)字信號(hào)送入雙口RAM的指定地址，以便DSP進(jìn)行讀取。DSP根據(jù)公式算出前方目標(biāo)的速度和距離，通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。同時(shí)系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)不同的危險(xiǎn)程度發(fā)出不同的聲光報(bào)警。信號(hào)處理程序代碼存放在外部閃存中，當(dāng)信號(hào)處理機(jī)脫機(jī)運(yùn)行時(shí)，主程序代碼能夠在系統(tǒng)加電后自動(dòng)裝載到DSP片內(nèi)的RAM中運(yùn)行。
2.1 UWB脈沖產(chǎn)生模塊
在研究初期，由于器件和工藝的缺乏，主要利用微波器件（如傳輸線）等效開(kāi)關(guān)，以得到短持續(xù)時(shí)間的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)整形成滿足要求的波形和電壓的脈沖。目前，UWB極窄脈沖的產(chǎn)生方法主要通過(guò)雪崩三極管、隧道二極管或階躍恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)中UWB脈沖的產(chǎn)生，采用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)方案，同時(shí)采用雪崩三極管級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生極窄脈沖。三極管采用NPN型晶體管，當(dāng)集電極電壓很高時(shí)，收集結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度比放大低壓運(yùn)用時(shí)大得多。進(jìn)入收集結(jié)的載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，從而獲得很大的能量，它們與晶格碰撞時(shí)產(chǎn)生了新的電子—空穴對(duì)，新產(chǎn)生的電子、空穴分別被強(qiáng)電場(chǎng)加速而重復(fù)上述過(guò)程，于是流過(guò)收集結(jié)的電流便“雪崩”式地迅速增長(zhǎng)。UWB脈沖產(chǎn)生原理圖如圖3所示，它是經(jīng)典馬克斯脈沖產(chǎn)生器的變型[3]。該脈沖發(fā)生器可以提供脈沖寬度小于2ns、幅度可調(diào)的極窄UWB脈沖。在這種發(fā)生器中，每個(gè)雪崩晶體管都有自己的存儲(chǔ)電容，這些電容在雪崩晶體管導(dǎo)通時(shí)相互串聯(lián)，使發(fā)生器總的等效放電電容大大減小。
在常規(guī)的直接串聯(lián)電路中，任一管子的損壞都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路失效。但在這種級(jí)聯(lián)電路中，即使有1個(gè)或幾個(gè)管子損壞開(kāi)路（除第一級(jí)外），整個(gè)電路仍可以正常運(yùn)行，只是輸出脈沖幅度相應(yīng)減小。因而可以根據(jù)這一特性，增減級(jí)聯(lián)晶體管數(shù)目來(lái)調(diào)節(jié)脈沖幅度，達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求。
如圖3所示， 在沒(méi)有加入觸發(fā)脈沖時(shí)，電源電壓VCC分別向電容C2～C5進(jìn)行充電使得所有晶體管處于臨界雪崩狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)脈沖Vi輸入時(shí)，雙極性晶體管Q1首先被擊穿，C2～C5迅速放電，導(dǎo)致雙極性晶體管Q2～Q5也被擊穿。由于雪崩過(guò)程極為迅速，因此這種依次雪崩的過(guò)程還是相當(dāng)快的，從宏觀上可以把它看作是同時(shí)觸發(fā)的。于是，在負(fù)載上就可以得到一個(gè)上升時(shí)間非常短的UWB脈沖。
2.2 DSP信號(hào)處理模塊
DSP是數(shù)據(jù)處理模塊的核心，設(shè)計(jì)中采用TMS320VC5402芯片。該芯片是TI公司C54X系列定點(diǎn)DSP芯片中的一種，它采用增強(qiáng)型哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，片內(nèi)共有8條總線（1條程序內(nèi)存總線、3條數(shù)據(jù)內(nèi)存總線和4條地址總線）、CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器和片上外設(shè)等硬件，加上專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使該芯片具有低功耗、并行等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足眾多領(lǐng)域的實(shí)時(shí)處理要求。
DSP連接了2個(gè)CY7C1041V33 256K×16位SRAM和1個(gè)SST39VF400A 256K×16位Flash，以及外圍的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成一個(gè)DSP最小系統(tǒng)。其中2個(gè)CY7C1041V33 256K×16位SRAM按照數(shù)據(jù)位擴(kuò)展方式連接(擴(kuò)展為256K×32位)。DSP工作在微處理模式下，程序放在外部閃存中，啟動(dòng)后調(diào)入片內(nèi)高速運(yùn)行。片內(nèi)ROM用于存放運(yùn)算所需要的一些參數(shù)，片內(nèi)RAM用做運(yùn)算過(guò)程的工作空間，存放中間數(shù)據(jù)。算法設(shè)計(jì)中，充分利用了DSP并行運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)，加快了采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的運(yùn)算速度。并且，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量滿足采樣數(shù)據(jù)處理時(shí)間小于每批采用數(shù)據(jù)的采樣總時(shí)間，以此來(lái)保障數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
2.3 FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中FPGA接收DSP送來(lái)的控制指令，并對(duì)其譯碼。利用該模塊實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)分系統(tǒng)(如：A/D控制，包括開(kāi)關(guān)控制、采樣頻率設(shè)置）、同步發(fā)送和接收系統(tǒng)以及產(chǎn)生地址將A/D變換后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙口RAM等的協(xié)調(diào)工作。所設(shè)計(jì)的FPGA內(nèi)部邏輯框圖如圖4所示。
晶振提供40MHz的時(shí)鐘，以此作為FPGA的工作時(shí)鐘，分頻和調(diào)整后則作為A/D的采樣時(shí)鐘。在FPGA內(nèi)部，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，打開(kāi)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果作為地址送入外部雙口RAM，計(jì)滿所要求的數(shù)據(jù)后，關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換器，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。隨后，F(xiàn)PGA發(fā)送中斷信號(hào)給DSP，DSP即進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序。由于一個(gè)雷達(dá)信號(hào)脈沖重復(fù)周期內(nèi)雷達(dá)回波信號(hào)的有效時(shí)間只是其中的很少部分，因此在該段時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣后，系統(tǒng)處在雷達(dá)休止期間，進(jìn)行FPGA和DSP間的數(shù)據(jù)傳輸以及進(jìn)一步處理。系統(tǒng)選用Xinlix公司Virtex系列的FPGA、ISE設(shè)計(jì)平臺(tái)和Verilog-HDL硬件描述語(yǔ)言編程進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3 結(jié)束語(yǔ)
因UWB技術(shù)自身具有眾多優(yōu)勢(shì)，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。采用UWB技術(shù)研制的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)增強(qiáng)了汽車防撞能力，有效地保障了人們生命和財(cái)產(chǎn)的安全。本文討論的基于UWB的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)不僅成本低、體積小、可靠性高，而且硬件設(shè)計(jì)中將FPGA和DSP相結(jié)合，所以該系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)，從而提高了系統(tǒng)的集成度。
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