基于雷达测距的火车精确对接控制研究.doc

第一章 绪 论1.1研究背景和意义随着经济的快速发展，交通运输业、汽车工业、铁路和高速公路也得到迅速的发展，近年来发展尤为迅速。经济发展的同时也产生了一系列的社会问题：环境污染、能源浪费以及大量的交通事故等等。其中交通事故给人们的生命财产造成了巨大的损失。交通事故已成为“世界第一大害”，中国和美国是世界上交通事故最严重的两个国家。中国公安部交通管理局数据显示：2012年,中国共发生交通事故472.7万起,其中涉及人员伤亡的道路交通事故20.4万余起,造成59997人死亡、224327人受伤，连续十余年居世界第一。美国交通部国家公路交通安全管理局发布的2012年美国交通事故分析报告显示：2012年美国交通事故死亡人数总数达33561人，全年因交通事故受伤人数达到240万人。通过对公路交通事故的分析显示：超过八成的公路交通事故是由于驾驶司机反应不及时造成的；超过六成的交通事故是由于追尾所致，在这些追尾事故中，又有五成是司机没看清楚前方车辆所导致，三成是司机发现了危险但来不及采取相应减速措施，事故无法避免。在高速公路上车速过快反应时间短，长时间驾驶车辆产生疲劳导致反应变慢，遇到雨雪雾等恶劣天气时，地面打滑能见度低，事故发生率更高【1】。欧洲的一项研究表明: 驾驶员只要在有碰撞危险的 0.5 秒前得到预警, 就可以避免至少 60%的追尾撞车事故, 30%的迎面撞车事故和 50%的路面相关事故;若有 1 秒钟的“预警”时间, 则可避免 90%的事故【3】。公路交通安全问题给国家和人民的生命财产造成了严重的损失，已经得到了人们的广泛关注，并且成为目前亟待解决的问题。在预防减少公路交通事故带来的损失上，政府部门除了建立健全的交通安全体制缓解交通压力、预防和控制车辆损坏和交通事故外，在交通工具上人们主要从两个方面着手考虑：汽车的被动安全和主动安全。被动安全系统旨在最大程度上减少损失，通过几十年的发展已经成熟。大致上分为两类：事故发生时起作用的安全防护措施，如安全带、保险杠、安全气囊等；以及事故发生后起作用的安全防护措施，如汽车黑匣子、阻燃器件、自动报警装置等等【4】。但这些被动的安全措施，往往只能在事故发生时起到一定的保障人身安全的作用，并不能从根本上阻止交通事故的发生减少人身财产损失。因此，近年来在全球范围内兴起了以预防为主的汽车主动安全系统，也称为智能交通系统【6】。主动安全系统顾名思义即：汽车在行驶过程中通过对汽车行驶状况经行预判，提前识别危险并向驾驶员发出警报或自动采取相应应急措施以防止交通事故的发生，达到主动预防为主的目的。主动安全系统包括车辆正常行驶过程中的预防安全和车辆在事故发生前的事故安全两种，如车道偏离系统、前向避障辅助系统、夜视系统、防抱死制动系统、巡航控制系统、车距自动报警系统等等，主动安全系统通过提前预防，给驾驶人员发出危险警报或自动采取相应应急措施，有效的保障了驾驶人员和行人的人身安全，大大避免交通事故的发生概率，有望以最彻底的方式减少交通事故中造成的经济损失和人员伤亡【4】。其中，汽车主动防撞系统作为主动安全系统和智能交通体系中的重要研究内容，获得了广泛的关注【3】。 本文依托南车电气设备有限公司提供的火车对接测距应用要求，设计一个对接测距系统，实时准确的测量火车对接过程中两节车厢之间的距离，并通过反馈给上位机，减少对接过程中人力物力资源，以及预防对接过程中人为失误造成的意外事故。并在对接测距系统的基础上通过控制电机运行，模拟对火车车速的控制，达到智能控制火车对接的整个过程。1.2汽车主动防撞系统测距技术方案相比安全带、安全气囊等被动安全方式而言，汽车主动安全系统对于提高车辆行驶安全十分重要。汽车主动防撞系统的关键在于测距和测速，通过实时监测车辆前方，辨别是否存在危险；当前方出现潜在危险目标（慢行车辆或停止车辆），主动防撞系统则提前向司机发出警报，提前使司机作出反应，采取相应措施，必要时通过控制系统，自动刹车或减速，实现智能控制的目的。长久以来以汽车主动安全为目的的汽车防撞系统的研究一直备受人们的重视。1971年开始，相继出现了超声波【10】、红外【11】、激光【12】、视频图像（CCD）【13】、毫米波雷达【14】等多种汽车主动防撞系统。1.2.1超声波测距超声波指频率在20KHz以上的机械波，因其频率下限大于等于人类听觉上限而文明。它方向性好、穿透能力强、在水中传播距离远，常用于测距、测速、探伤等领域。超声波借助空气煤质传播，通过发射超声波与接收到通过障碍物反射回来的超声波的时间间隔和反射回来的超声波的强弱判断障碍物的性质和距离，是一些无目视能力的生物，如蝙蝠作为捕捉猎物和防御的生存手段。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测；并且易于成本低、尺寸小、定向发射、方向性好、强度易于控制；且超声波由于具有不受光线、电磁波、粉尘等的干扰以及厘米数量级的工程测距精度等优点, 因而在桥梁、隧道、涵洞的距离检测上得到了广泛的应用【10】。但因为超声波的传输速度受大气影响较大，不同的大气条件下传播速度不一样；另一方面是对于远距离的障碍物，由于反射波过于微弱使得灵敏度下降，故超声波测距常用于短距离测距，最佳距离为4-5米，一般应用在汽车倒车防撞系统上【1】。1.2.2红外测距红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在760nm-1mm之间，是一种非可见光。由于红外先传播过程中具有不扩散特性以及穿透其他物质时折射率小，因此穿透云雾能力强。红外线和超声波测距在原理上基本相同，依据发射红外线和接收到障碍物反射回来的红外线之间的时间间隔以及红外线的传播速度就可以算出与障碍物之间的距离。红外线测距因成本低、技术难度不高；比超声波传播速度更快、传播方向性更好、发射功率可控性更强等突出优点【11】,在军事测距如坦克、飞机对目标的测距，云层、飞机、人造卫星的高度测量等方面应用较为广泛。但由于在恶劣天气下无法获得比较好测量结果，在对天气的适应性要提高的要求下，这就限制了其在汽车主动防撞系统的应用【18】。1.2.3激光测距激光是指通过受激辐射而产生放大的光，它具有单色性好、功率高、发散度小、相干性好等特点，广泛应用与军事、医疗等领域。激光测距的工作原理是：对目标发射出一束激光，由光电元件接收目标发射回来的激光束，通过发射和接收反射回来的激光之间的时间间隔确定与目标之间的距离。如：以Nd:YAG为器件的固体脉冲激光测距机、美国AN/VQ一25型机载激光测距机【12】。由于激光具有良好的单色性和方向性，与毫米波、红外、超声波等测距方法相比，激光测距具有方向性好、测距精度高、测程远、抗干扰能力强、隐蔽性好等优点【12】。但在汽车主动防撞技术领域还是具有较大的局限性：激光测距方式受天气状态、汽车的震动及反射镜表面磨损、污染等因素影响较大, 测距精度难以保证【2】；激光若是使用在汽车主动防撞领域，则需保证激光的能量在安全范围内，避免对人眼造成影响。所以，在汽车主动防撞领域激光测距方法受到限制。1.2.4视频成像（CCD）测距CCD（Charge-coupled Device）是一种固体成像半导体器件，通过在CCD上植入微小光敏物质，将光信号转换成电荷信号，从而实现将光学影像转化为数字信号，广泛的应用于国防、工业、医学等领域。视频成像测距技术主要以单目CCD摄像机观测被测物体或障碍物的移动为基础，结合相关图像处理方法对被测物或障碍物经行图形定位并计算出被测物的实时面积，通过被测物图形面积的大小变化实现距离的测量。如：意大利的 MOB-LAB 智能车辆，它使用安装在车前的摄像机来采集相关道路信息，并计算出车辆之间应该保持的安全距离，用4个LED指示灯来提醒驾驶员当前车辆所处的位置【21】。由于线阵CCD灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、线性好，特别是精度高、测量范围大和非接触测试的优点使得其在距离测量领域显示出独特的优越性能【24】。视频成像测距技术采用视觉方式，便于视觉化、立体化，在交通、智能机器人等领域具有较大的发展空间。但由于成本高、对外界环境敏感等因素，使得该技术在汽车主动防撞系统中得不到全面的应用【9】。1.2.5毫米波雷达测距毫米波雷达是指工作在毫米波波段的雷达，工作频率通常在30-300GHz范围内。毫米波波长介于厘米波和光波之间，因此兼有微波制导和光电制导的有点。毫米波雷达最早从40年代初开始研制，由于其搞分辨率、穿透能力强、全天候（大雨天气除外）全天时、抗干扰能力强的特点，广泛的应用于军事、国防、航空航天领域。毫米波雷达测距主要是通过雷达模块发射毫米波和接收障碍物或目标反射毫米波之间的时延和多普勒效应，实现距离和速度的测量。毫米波测距雷达探测距离远、运行可靠、测量性能受天气等外界因素的影响较小,可以获得主车与目标车辆间距离、相对速度,有些雷达还可获得相对方位角和以及相对加速度等信息【8】。因此，广泛的应用于交通监控、距离测量、火车运行、智能驾驶、导航等领域。根据测距原理的不同，毫米波测距雷达分为脉冲体制雷达和连续波体制雷达两种【14】。脉冲雷达主要通过测量发射和接收到的脉冲电磁波的时间间隔，根据这个延时时间得到目标的距离信息，多普勒频率测量目标的径向速度以及方位角仰角等信息。但是脉冲雷达的距离分辨率受到脉冲宽度的限制，一般来说适合远距离探测；当目标距离很近时，发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔很小，这就要采用高速信号处理技术，使得近距离脉冲雷达系统变得非常复杂，成本增加，这就限制了其在汽车主动防撞技术领域的发展。连续波体制又分为恒频连续波（CW）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）、调频连续波（FMCW）等多种方式【1】。其中恒频连续波只能通过多普勒效应测速；频移键控虽然能测距和测速，但难以测量多个目标；相移键控方式比较适用于速度和距离分辨率低的情况；调频连续波雷达通过对连续波进行调频，并比较发射信号和反射信号，得到与被测物之间成比例的频率差，实现测距，利用多普勒效应确定物体的相对速度【9】。1.3国内外发展现状随着毫米波技术的成熟与发展，毫米波雷达技术在汽车防撞领域的应用越来越广，已经从单一的车间距监控、报警前视雷达发展到具有多目标识别和自动巡航控制主动防撞系统【1】。近年来，以毫米波雷达为测距技术方案的汽车主动防撞系统成为国际上研究与开发的热点。美国、日本和欧洲多家著名汽车公司投入巨额资金，先后研制成功了24GHz，60GHz，76.5GHz3种频率的汽车防撞毫米波雷达系统【5】【6】。(1)1993年美国Ford汽车公司和Eaton公司共同开发了一款汽车主动防撞雷达系统EVT-300。EVT-300防撞雷达系统是目前商业界运用最成功的主动防撞雷达系统之一。该系统中雷达工作在24.725GHz，可探测和分辨前方110m距离内的20个目标，并只对与自身车辆处于同一车道上的危险目标进行报警，测试表明该系统可使追尾碰撞事故发生率减少55%，是低成本与高可靠性的典范【15】。(2)1997年德国Benz公司设计了一款荣获德国工业革新奖的汽车雷达主动防撞系统：速度-距离控制系统。该系统采用FMCW雷达体制，雷达工作在76GHz频率。速度-距离控制系统最大作用距离150m；可同时跟踪30个目标；可以自动执行刹车或变速实现智能化控制；但该系统只考虑行驶速度小于或等于自身车速的目标【7】。(3)日本Toyota公司与Denso公司、Mitsubishi公司共同开发的电子扫描式毫米波(electronically scanning MMW)雷达主动防撞系统采用FMCW测距方式，具有结构紧凑、抗干扰性能强、目标识别的性能优越等特点【30】。该系统是世界上第一款使用相控阵技术的车用防撞雷达系统。(4)瑞典Celsius Tech电子公司研制了一款适用于高速公路的自适应智能驾驶控制系统，该系统采用FMCW雷达，工作频率77GHz。自适应驾驶控制系统通过预先设定自身车辆速度和与前方车辆的相对距离和相对速度，当车辆在高速公路行驶过程中与前方车辆过近或是速度差距过大，系统将自动提示司机减速；当两车之间相对距离和速度回复到预定范围后，系统提示司机可按原速行驶【18】。(5) 英国劳伦斯电子公司和德国Benz公司联合研制的FMCW体制的雷达防撞系统.。该系统工作在35GHz，性能稳定；能探测到150m内的车辆距离，通过信号处理系统能够计算出车辆的距离和相对速度，根据自身车辆速度相应计算出与目标车辆之间的安全距离【20】。(6) 德国Benz公司研制的距离自动控制雷达，能够在40-160公里时速范围内自动调节车速，还可以根据时速确定自车与前车的距离，一旦距前车太近，自车就能够自动减速以避免追尾碰撞【22】。(7)美国TRW公司研制的自适应巡航控制系统，雷达工作频率77GHz，采用了先进的MMIC技术【16】。该系统最大作用距离150m，在行驶过程中，系统自动控制车速，确保与前方车辆之间的在安全车距范围。我国由于受到经济和技术发展水平的影响，毫米波汽车防撞雷达研究相对滞后，目前正处于研究阶段【3】【5】【6】。随着应用需求的增加，近年来对40GHz以下的毫米波雷达系统研究取得了一些较好的成果：西安电子科技大学、国防科技大学、华中理工大学等院校和研究所采用FMCW体制对汽车主动防撞雷达系统和雷达后期信号处理进行了一系列研究，为我国汽车防撞雷达系统的研制做出了较大的贡献【15】。广西大学和华中理工大学共同研制的LFMCW雷达体制的汽车防撞系统：工作频率35GHz，测距范围100m；科学院上海微系统研究所研制的毫米波雷达系统：工作频率35GHz，测距范围超过100m，测速范围超过100km/h；江苏赛博电子有限公司与大专院校合作研制的38GHz汽车主动防撞雷达系统，能够对20个目标经行监控，通过判断其距离和速度数据识别潜在危险目标【30】。总体而言，我国应用于汽车点在的的雷达产品主要以超声波和激光方式为主，对毫米波防撞雷达和毫米波主动防撞雷达系统的的研究和开发起步较晚，毫米波雷达产品不多【4】。目前，尚停留在毫米波倒车雷达及其相关系统的研制和生产层面，众多汽车厂商和科研院校对对前向探测雷达及其主动防撞系统还处理探索研究阶段，并未实现真正的产业化【20】。因此，对基于毫米波雷达的汽车主动防撞系统的研究具有长远的现实意义。1.4本文主要工作内容本文依据南车电气设备有限公司提供的火车对接测距应用要求设计一个基于雷达测距的火车对接测距系统，并在此基础上采用电机模拟火车速度的控制。具体内容如下： 第一章介绍了主动防撞系统的研究背景、意义;测距、测速技术以及FMCW体制毫米波雷达测距技术的国内外研究现状。第二章主要介绍了毫米波雷达测距系统的整体方案,包括毫米波雷达的选型、FMCW雷达体制的测距测速的相关原理以及控制芯片的选型等等。第三章详细的介绍了基于FMCW雷达测距的火车对接控制系统的硬件电路设计。第四章主要介绍了基于FMCW雷达测距的火车对接控制系统的软件程序设计和信号处理算法的仿真实现。第五章简单描述了整机系统的软硬件调试。第六章对全文经行简单的总结以及未来工作的展望。1.5本章小结本章简单介绍了主动防撞系统的研究背景和研究意义；阐述了汽车主动防撞技术领域的测距测速技术的原理及优缺点；并介绍了目前国内外在毫米波雷达主动防撞技术领域的研究现状。最后对本文的工作内容和全文结构进行了简单介绍。 第二章 火车精确对接控制系统方案设计火车对接控制系统是以毫米波雷达测距、测速为基础。该系统实时准确的测量、监控火车对接过程中火车头与对接车厢之间的距离和相对速度，当两车之间距离或速度达到预设范围后，火车对接控制系统则向司机发出警报，使司机做出及时的反应，同时用电机模拟火车速度控制，根据行驶情况自动刹车或减速。通过该系系统，减少对接过程中的人力物力投入，以及预防对接过程中的人为失误造成的意外事故，实现安全智能对接过程。系统测距技术指标：（1）测距范围：1m-50m，除被测物外，不受其他障碍物干扰（2）测距精度：（3）测距时间：小于80ms2.1 FMCW体制雷达介绍FMCW体制雷达由压控震荡器（VCO）、双工器、天线和接收机等几大部分组成，其结构如下图所示：图1.1 FMCW体制雷达结构FMCW雷达采用双工器，收发共用一组天线，保证雷达工作在连续波模式。雷达工作时，外部调制信号对VCO进行频率调制，通过天线向目标发射一系列的连续调频毫米波，并接收其回波信号。由于发射信号的频率是时间的函数,在雷达到目标间往返传播的时间内,发射信号的频率已经发生变化,于是导致回波信号频率与发射信号频率不同,二者的差值与雷达到目标间的距离、速度、方向等有关,测定频率差,便可得到雷达到目标的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息【31】。2.1.1FMCW体制雷达特点FMCW体制雷达系统与传统脉冲雷达系统以及其他连续波体制雷达系统相比，有以下几个有点【17】：（1）FMCW体制雷达工作时峰值功率低、频率范围很宽，具有较高的频率分辨率；（2）FMCW体制雷达采用一体化集成组件，采用FMCW体制雷达的系统结构简单、成本较低；（3）FMCW体制雷达发射机和接收机同时工作，且发射信号的时宽大于回波时延，因此不存在距离盲区；（4）FMCW体制雷达信号处理简单，直接对差频信号进行频谱分析即可获得距离、速度以及方向等信息；（5）FMCW体制雷达具有较强的抗干扰能力，具备良好的电子对抗(ECCM)性能。2.1.2 FMCW体制雷达测距测速原理调频连续波雷达一般采用三角波或锯齿波作为调制信号，与压控振荡器进行频率。当调频连续波雷达用于探测静止物体时（即静态物体到传感器之间的距离），信号的干扰主要来源于多普勒效应，因为锯齿波抗干扰性能优于三角波，因此在探测静止物体时一般采用锯齿波作为调制信号。在探测过程中发射信号和接收目标回波信号之间只产生频率的延时效应，即同一时刻的发射信号和接收信号之间的频率差异（调频连续波雷达输出中频信号）由时延引起的。锯齿波调制的FMCW信号是一个起始频率（载频频率）为，调频重复周期为，调频斜率为k，扫频带宽为B的线性调频信号。如图2与图3所示，受锯齿波调制的FMCW信号其发射波形幅度是固定不变的，而其频率在时域按照锯齿波呈现出线性变化的方式，目标回波信号是一个与发射信号有延时的复制波形。图3 锯齿波FMCW发射信号与接收信号在图3中，表示发射波形与R处目标回波延时，R表示目标距离，c表示电磁波传输的速度（光速），一般情况下。当目标静止时,由于不存在多普勒效应，所以雷达的接收信号与发射信号之间的瞬时频率之差几为一个常数，并且与目标的距离成正比，可以得到： （1）式(1)中各参量的物理意义同前所述。以上的分析虽然是建立在目标处于静止状态的基础之上，但是通过分析可以发现,接收信号与发射信号之间的频差载有目标的距离信息与频率信息；只要能测出这种频差，也就可以计算得到目标的距离信息等我们感兴趣的量。【20】 当FMCW雷达同时探测运动目标的瞬时速度和相对距离时，由于即存在多普勒效应又存在时延效应，即同一时刻的发射信号和接收信号之间的频率差异（调频连续波雷达输出中频信号）由时延和多普勒效应共同引起的，因此在探测运动目标时选用三角波信号作为调制信号。此时差频信号中的距离信息，有多普勒效应和时间延时效应叠加反应图4 经三角波调制的FMCW雷达发射和接收信号的时间相关曲线如上图所示，实线为发射信号，虚线为接收信号。延时效应 将导致两个信号在X轴（时间轴）上，产生一个t的差值，t即为回波信号相较于发射信号的时间延迟。由t进而会产生一个差频信号delay，delay即为某一时刻回波信号频率与发射信号频率的差值，原因是传感器在同一时刻的发射频率已经发生变化。由第3节中公式(2)可得delay (3)多普勒效应 将导致接收信号在Y轴（频率轴）上，产生一个多普勒频移Dopp 。由第1节中公式(1)可得Dopp20cos (4)为简化公式，令角度=0，即目标相对于雷达传感器作径向运动，则公式(6)可简化为Dopp20 (5)由图4我们可以看出，在升坡阶段，时间延迟效应与多普勒效应相互抵消；在降坡阶段，这两种效应叠加。由此可计算出在三角调制信号的升坡阶段传感器输出信号diff_up ，及降坡阶段的输出信号diff_down ：diff_up Doppdelay (A)diff_downDoppdelay (B)(A) (B) 可得：diff_updiff_down2Dopp (C)将公式(C)带入公式(7)可得速度公式：v (6) (B) (A) 可得：diff_updiff_down2delay (D)将公式(D)代入公式(5)可得距离公式：R (7) 分析传感器的输出信号，得到diff_up和diff_down的信息，再由公式(8)和公式(9)，即可得到运动目标的速度和距离信息。2.1.4雷达调制信号由于在探测运动物体距离和速度过程中同时引入时延和多普勒效应，涉及参量较多，增加了频谱分析难度和算法处理难度。火车在对接过程中速度一般小于，火车接近对接时速度更小；且在抗干扰性能方面锯齿波调制明显优于三角波调制。因此，本文考虑采用FMCW雷达探测静止目标方案，选用锯齿波作为调制信号。在速度测量方面，由于测距样机技术指标要求每次最小处理时间小于80ms，即80ms通过串口输出一次数据。可通过取两次处理距离差除以处理时间初略的到速度信息。2.2 FMCW体制雷达模块的选取雷达模块性能的好坏关系到后期处理的难易程度。目前常用的雷达工作频段有：10.525GHzX波段，24 GHzK波段，35 GHzKa波段，77 GHzV波段。其中，24GHz是一个ISM规定的全球通用的一个雷达工作频段，在此频段上工作时干扰较小。因此本系统选用FMCW体制的24GHz雷达。IVS系列雷达是由德国Innosent公司生产的24GHz微波雷达传感器，采用世界上最先进的平面微带技术，具有体积小、集成化程度高、感应灵敏等特点；雷达传感器多工作于CW和FMCW模式，产品的功能应用多样，包括：探测运动目标速度，辨别运动目标方向，并且尤其适用于探测静态目标或动态目标的距离信息。其中IVS-167 由于天线角度十分特殊方位角和仰角角度一致，在探测时，可以更有效的避免能量衰减，特别适于做物位和液位探测。但其内部未内置放大滤波电路，使其中频信号中混杂有泄漏调制信号，输出信噪比较低，硬件上和软件上难以达到预期的滤波效果。IVS-179雷达内置放大滤波电路，其输出信噪比高，广泛的应用于交通监测，体育运动，智能控制等各个领域。考虑远距离信号的强弱及信号处理的难易程度，本系统选取内置放大滤波的IVS-179雷达，减少硬件电路滤波的难度，便于后期的算法处理，处理精度的提高。IVS179雷达工作原理如图所示：图1 雷达工作原理图当雷达模块工作时，调制信号产生的调制信号和压控振荡器（VCO）调频，有VCO输出一个频率为的调频发射信号。其中一路发射信号经过天线发射出去，一路又分流成两路进入到I（同相输出）、Q（正交输出）通道所在的混频器中和接收天线接收到的经过低噪放大处理的回波信号混频得到两路中频信号，混频后的两路中频信号在经过滤波放大处理最终分别由I、Q通道输出，输出的中频信号中均携带有探测目标的距离、速度、方向等信息。其中流入Q通道的频率为的发射信号在混频前事先经过90度移相处理。因此，只需分析I或Q通道输出的中频信号即可得到相应的距离、速度、方向等信息。2.3系统整体方案通过对国内外已实现的测距防撞报警系统经行研究发现，防撞系统平台架构一般有一下几类：基于ARM架构【36】、基于单片机架构【37】、基于FPGA架构【34】、基于CPLD架构【32】【33】、基于DSP架构【35】以及双处理器的汽车防撞报警系统，如FPGA+DSP 体系的防撞系统【38】、DSP+ARM架构体系【39】等。 考虑到火车对接控制系统既要实现测距测速功能又要实现速度的控制功能以及系统的稳定性及可靠性，单处理器难以满足要求。因此，硬件平台采用目前国际上普遍使用的双处理器架构：FPGA+DSP架构体系。即：微控制器+数字信号处理器。雷达传感器选用德国Innosent公司生产的24GHzFMCW体制微波雷达IVS179，采用锯齿波调制。系统主要包括以下几个部分：（1）调制信号产生电路（1）信号采集模块（2）中频信号处理模块（3）速度控制模块（4）电源模块调制信号产生电路主要产生一个周期性的锯齿波信号；信号采集模块包含雷达传感器、中频信号放大滤波（抗混叠）、中频信号采集、数据传输等几个部分；中频信号处理模块主要由DSP实现测距测速算法以及通信报警功能；速度控制模块主要FPGA对电机的控制模拟火车对接过程；电源模块主要给FPGA、DSP以及雷达传感器以及外面电路供电。系统整体框图如下：图3雷达测距系统整体框图调制信号产生电路输出幅度固定、频率可调的锯齿波作为雷达模块的调制信号，其频率的变化通过DSP反馈回来的距离信息确定。雷达模块经过调制后，输出包含距离、距离变化率（径向速度）、方位高度等信息的差频信号，经过调理电路对其进行放大滤波（抗混叠）、AD采集后，通过FPGA发送给DSP，最后由DSP对雷达输出的差频信号进行频谱分析处理，从中提取出距离信息和速度信息；一方面DSP通过485串口将距离信息发送给上位机，另一方面反馈给FPGA，FPGA根据实时距离信息控制电机速度，模拟火车对接控制过程。具体的硬件电路设计与详细方案和软件算法程序设计将在第三章和第四章详细描述。2.5本章小结本章主要介绍了基于雷达测距的火车对接精确控制系统的系统方案，包括FMCW雷达测距测速原理介绍、雷达传感器的选取、系统架构体系的确定，以及系统整体方案几个部分。第三章 系统硬件电路设计与方案实现系统硬件电路设计是系统设计的基础，合理、有效的硬件电路设计，为充分发挥控制芯片的的处理能力提供良好的条件，而不良的硬件设计，轻者造成系统出错，严重的情况下造成硬件损坏，从而影响系统的可靠性。第二章已经对系统整体设计方案进行了讨论，本章将对系统的具体实现方案和硬件电路设计进行详细描述。3.1硬件平台搭建根据测距控制系统的设计要求，本系统采用双处理器结构，以FPGA和DSP为系统核心进行硬件平台搭建。其中FPGA主要负责对相关控制模块进行控制，DSP主要负责算法处理和数据通信。其他电路模块调制信号产生电路、信号采集模块、中频信号处理模块、速度控制模块、电源模块等围绕FPGA和DSP进行相关设计。3.1.1 控制芯片选型目前市场上主要的DSP厂商有TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI占有最大市场份额。TI公司的产品包括从低端的低成本低速度DSP到高端大运算量的DSP产品，TI的三大主力DSP产品：C2000系列、C5000系列、C6000系列。同一系列中不同型号的DSP一般都具有相同的DSP核，相同或兼容的汇编指令系统；而它们的差别仅在于片内存储器的大小，外设资源(如定时器、串口、并口等)的多少。（1）C2000系列: C2000系列是一个控制器系列，全部为16位定点DSP。该系列中的一些型号具有片内FLASH RAM，如TMS320F24x，TMS320LF240x等。TI所有DSP中，也只有C2000有FLASH。作为控制器，C2000系列除了有一个 DSP核以外，还有大量的外设资源，如A/D、定时器、各种串口(同步或异步)、WATCHDOG、CAN总线、PWM发生器、数字IO脚等等。特别是 C2000的异步串口可以与PC的UART相连，也是TI所有DSP中唯一具有异步串口的系列。（2）C5000系列:C5000系列是一个定点低功耗系列，特别适用于手持通讯产品做信号处理，如手机、PDA、GPS等。目前的处理速度一般在80MIPS一400MIPS。 C5000系列主要分为C54xx和C55XX两个系列。C5000包含的主要外设有McBPS同步串口，HPI并行接口，定时器，DMA等。其中C55XX提供EMIF外部存储器扩展接口，允许用户直接使用SDRAM、SBSRAM、SRAM、EPROM等各种存储器。C5000系列一般都提供PGE封装，便于PCB板的制作。 （3）C6000系列:C6000系列是一个32位的高性能的DSP芯片，一般用在大型图像处理方面。目前处理速度从800MIPS一2400MIPS，而且还在不断提高。其中，C62XX为定点系列，C67XX和C64XX为浮点系列。同C55XX一样，C6000也提供EMIF扩展存储器接口，方便用户使用各种外部扩展存储器，如SBSRAM、 SDRAM、SRAM、EPROM。C6000提供的主要外设有McBPS同步串口，HPI并行接口，定时器，DMA等。另外，在C6000的一些型号中还提供了PCI接口。但C6000几乎都只提供BGA球形封装，在PCB板制作时需要多层板，增加了开发和调试的难度。另外，C6000系列的功耗较大，需要仔细考虑DSP与系统其他部分的电力分配，选择适当的DCDC转换器。本系统中选用适用于手持通讯产品做信号处理的TMS320VC5509A，该款DSP芯片是C55系列一款典型的低功耗16位定点处理器，最大工作时钟为，性价比高。在VC5509A中继承了一个C55系列内核，位偏上RAM存储器，并具备最大位的外部寻址空间，片山还集成了USB总线、McBSP和等外部接口。但由于C5500系列内部没有再带RAM存储空间，故一般情况下须DSP外围添加外部FLASH，才能实现程序的下载和上电自举。3.1.2 FPGA芯片选型目前市场上FPGA芯片主要来自Xilinx公司和Altera公司。这两家公司占据了FPGA 80%以上的市场份额，其他的FPGA厂家产品主要是针对某些特定的应用。其中Altera的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Cyclone、CycloneII、CycloneII等；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如Startix、StratixII等，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。Cyclone FPGA是第一款低成本FPGA。对于当今需要高级功能以及极低功耗的设计，可以考虑密度更高的Cyclone IV和Cyclone III FPGA。这些更新的Cyclone系列将继续为您的大批量、低成本应用提供业界最好的解决方案。Cyclone II FPGA从根本上针对低成本进行设计，为大批量低成本应用提供用户需要的各种功能。Cyclone II FPGA以相当于ASIC的成本实现了高性能和低功耗。Cyclone III FPGA前所未有地帮助您同时实现了低成本、高性能和最佳功耗，进一步扩展了FPGA在成本敏感、大批量领域中的应用。Cyclone III FPGA系列采用台积电(TSMC)的低功耗工艺技术制造，以相当于ASIC的价格实现了低功耗。本系统中FPGA选用144引脚的高性能低功耗Cyclone II系列：EP2C5T144，最大限度地利用FPGA引脚资源。该款芯片在300毫米晶圆基础上采用TSMC领先90nm的低电介工艺技术生产，功耗只有竞争低成本90nm的FPGA的一半，大大降低了静态和动态功耗。Cyclone II系列提供多大68416个逻辑单元（LE），内部的逻辑资源可以实现复杂的应用；提供对多150个比特乘法器，能够实现通用DSP功能，如FIR滤波、FFT等等。另外该款芯片采用主流的M4K存储器块，提供多大1.1Mbit的嵌入式存储器，可以支持配置为广泛的操作模式，宝货RAM、ROM。FIFIO缓存器以及单端口和双端口模式等。同样，需外部添加FLASH存储芯片以便程序的下载和上电自举。3.2 DSP最小系统及外围电路设计 DSP最小系统就是满足DSP运行的最小硬件系统，任何一个DSP硬件系统中都必须包含最小系统的各个组成部分，最小系统有电源电路、复位电路、时钟电路、JTAG接口电路和程序加载部分组成。3.2.1DSP模块电源设计TMS320VC5509A数字信号处理器电源包括内核电源和外部接口电源，其他外部接口电源为3.3V，内科电源为1.6V。由于C55系列的DSP多用于低功耗场合，因此，电源电路的设计应注意电源的转换效率和电路的复杂程度。因此，高效的DC-DC转换电路则十分适用这种场合。TPS73HD301是一款双输出低压降线性稳压器，能够提供的连续电流输出。一个电压输出端口能够输出3.3V电压，另一个输出端口输出电压可调，通过设置和的电阻可自动调制输出电压。在本应用中取、，使的输出电压可调端口输出1.6内核供电电压。图3.1给出了采用TPS73HD301实现DC-DC转换的电路原理图。图3.1 TPS73HD301 DC-DC转换电路3.2.2复位电路设计在系统上电过程中，弱国电源电压还没有稳定，这时DSP进入工作状态可能造成不可预知的后果，甚至引起硬件损坏，解决这个问题的方法是DSP在上电过程中保持复位状态，因此上电复位电路在系统中是相当重要的。其作用是保证上电可靠，并在拥护需要时手工复位。下面给出了采用SN74LVC2G04构建的DSP复位电路，该复位电路可以提供低输入电压保护、复位时间延迟和手工复位等功能。图3.2 DSP复位电路3.2.3时钟电路设计 TMS320VC5509A内部具有锁相环电路，锁相环可以对输入时钟信号进行倍频和分频，并将所产生的信号作为DSP的工作时钟。其时钟输入信号可以采用两种方式产生：第一种是采用外部晶振，利用内部振荡器产生时钟信号。第二种时钟输入方式从X2/CLKIN引脚输入时钟信号，采用这种方式X1引脚必须悬空，必须保证输入时钟信号的信号过冲不能超过芯片范围，否则锁相环将可能运行不正常，通过在线路中串联电阻可以防止信号过冲。本系统中时钟电路使用第一种方法：采用外部晶振，利用内部振荡器产生时钟信号。图3.3给出了采用内部振荡器的原理图。图3.3用外部晶振和内部振荡器产生输入时钟3.2.4JATA接口电路设计JTAG接口是DSP的调试接口，用户可以使用JTAG接口完成程序的下载、调试和调试信息的输出，通过该接口可以查看DSP的存储器和寄存器等内容，如果DSP接了非易失性存储器，如FLASH，还可以通过JTAG接口实现芯片的烧录。图3.4给出了JTAG接口电路的连接图。图3.4 JTAG接口电路3.2.5程序加载部分 TMS320VC5509A有多种程序加载方式：增强主机接口（EHPI）加载方式、并行外部接口（EMIF）夹在方式、标准串口加载方式以及支持外围设备接口的SPI加载方式等多种加载方式。 程序的加载方式可以通过预置通用I/O口GPIO0-GPIO4引脚高低电平来选择，表3-1给出了具体的说明。表3-1 TMS320VC5509A加载方式BOOTM3:0加载方式0000或1000不加载00100111保留0001SPI加载（支持24位地址的SPI EEPROM）1001SPI加载（支持18位地址的SPI EEPROM）1010EMIF加载（8位宽外部异步存储器）1011EMIF加载（16位宽外部异步存储器）1100EMIF加载（32位宽外部异步存储器）1101EHIP加载1110标准串口加载（McBSP0口，16为字宽）1111标准串口加载（McBSP0口，8为字宽）其中：BOOTM3对应GPIO0，BOOTM2对应GPIO3，BOOTM1对应GPIO2，BOOTM0对应GPIO1。（1）并行外部存储器（EMIF）加载并行外部存储器加载是通过外部并行存储器接口（External Memory Interface）加载程序。所用的外部存储器可以是并行EPROM、EEPROM、Flash存储器、FRAM等非易失性存储器，也可以使SRAM、双端口存储器等易失性存储器。通常使用的并行外部存储器加载是将程序固化在非易失性存储器上。使用并行外部存储器加载的有点是不需要外部时钟驱动，非易失性存储器种类多样，容量较大、除了存储表之外啊还可以存储系统需要保存的关键数据，以便掉电时保存信息。这种下载方式的缺点是连线复杂，需考虑并行非易失性存储器与EMIF接口的匹配关系。图3.5给出了采用8位异步存储器的与DSP连接关系图。图3.5 8位异步存储器加载连接关系（2）标准串口加载标准串口加载程序是指通过McBSP0（多通道缓存串口0）在标准串口模式下向DSP加载程序。该加载方式的有点是连接信号线较少，缺点是需要有外部产生帧同步信号和串行时钟信号。该方式还需要外部逻辑向串行存储器发出读指令，无法做到无缝连接。此外该方式还固定占用McBSP0口。图3.8是标准串口加载模式硬件连接关系图。图3.8标准串口加载模式硬件连接（3）串行外设接口（SPI）加载串行外设接口标准（SPI）是Motorola公司剔除的一种串行总线标准，该标准具有连接简单，控制方便等特点，同时针对该标准，Atmel等公司研制了SPI口的EEPROM，而C55系列DSP也提供了SPI接口加载功能。SPI接口只用三根线即可完成串行数据传输，DSP作为住房控制SPI接口。这种加载方式不需要外部时钟和外部逻辑，可以做到无缝连接。图3.9是该方式的硬件连接图。图3.9SPI方式硬件连接（4）EHPI口加载程序 在许多系统中是往往是微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）联合工作。微控制器作为主机主要其控制作用，而主机与DSP最直接的连接方式就是通过EHPI接口，通过该接口主机可以访问DSP内存而无需DSP干预。如果主机介入了DSP的EHPI口，则采用EHPI口加载方式是十分方便的。由于这种加载方式是由主机的软件控制，相比其他方式更加便利、灵活。本系统DSP程序加载部分采用连接简单，控制方便的SPI加载方式。串行Flash选用AT26DF321芯片，通过McBSP0模拟SPI模式进行与AT26DF321之间数据收发。AT26DF321是一款低功耗串行接口的FLASH存储器件，支持SPI模式0和模式3。AT26DF321专门设计用于3V系统，工作在2.7V至3.6V的电压范围内，支持读取，编程和擦除操作。在编程和擦除时，无需单独供压。 AT26DF321的擦除架构极具灵活性，其擦除细度可小至4 Kbytes，这让AT26DF321成为数据存储的理想选择，并且无需额外的EEPROM器件。AT26DF321与DSP硬件连接如下图所示。图3.10 AT26DF321 SPI方式硬件连接3.2.6 485通信接口设计 本系统针对具体应用要求设计两路485通信接口。485芯片选用具备15 kV ESD保护功能的完全集成式隔离数据收发器：ADM2587。其硬件电路设计如图3.11所示。图3.11 485通信接口电路3.3FPGA最小系统设计 FPGA最小系统包括：FPGA电源模块、复位电路、时钟电路、JTAG接口电路以及程序加载电路，最小系统原理框图如下。图3.12 FPGA最小系统原理框图其中，电源电路采用ASM1117-3.3稳压芯片将5V直流电压转换为3.3VFPGA外核供电电压，利用ASM1117-ADJ稳压芯片将3.3V直流电压转换为1.2V内核供电电压；时钟电路采用50M有源晶振为FPGA提供工作时钟，有源晶振中包含有振荡电路只需外加电源即可得到需要的振荡波形，因为有源晶振不需要处理器的内部振荡器，信号质量好，输出比较稳定。一般有源晶振的VCC端在电路中通常不直接接电源，而是通过滤波电路做好电源滤波，如图3.13所示。图3.13 FPGA时钟电路FPGA的Cyclone系列器件有三类配置下载方式：主动配置方式（AS）和被动配置方式（PS）和最常用的(JTAG)配置方式。AS由FPGA器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程，EPCS系列.如EPCS1,EPCS4配置器件专供AS模式，目前只支持Cyclone系列。使用Altera串行配置器件来完成。Cyclone期间处于主动地位，配置期间处于从属地位。配置数据通过DATA0引脚送入 FPGA。配置数据被同步在DCLK输入上，1个时钟周期传送1位数据。PS则由外部计算机或控制器控制配置过程。通过加强型配置器件（EPC16，EPC8，EPC4）等配置器件来完成，在PS配置期间，配置数据从外部储存部件，通过DATA0引脚送入FPGA。配置数据在DCLK上升沿锁存，1个时钟周期传送1位数据。JTAG接口是一个业界标准,主要用于芯片测试等功能,使用IEEE Std 1149.1联合边界扫描接口引脚，支持JAM STAPL标准，可以使用Altera下载电缆或主控器来完成。本系统FPGA下载部分采用AS下载模式，通过FPGA器件引导配置操作过程，串行Flash芯片选用EPCS。图3.14为AS下载模式接口电路。ADS8322工作时序图3.14 AS下载模式接口电路3.4 调制信号产生电路设计调制信号产生电路主要为雷达提供一个幅度一定、频率可调调制信号。当雷达和