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摘要 为了提高目前国内公路交通中对车辆速度的监测手段，设计了一种交通执法机构使 用的毫米波测速雷达。利用该雷达可以随时随地对车辆速度进行测量。该测速雷达工作 在k a 频段，发射出的毫米波经过正在行驶的车辆反射后又被雷达接收。由于多普勒效 应，反射回来的雷达波频率相对于发射的雷达波频率产生了多普勒频移。在d s p 器件中 利用功率谱估计的方法计算出多普勒频移，即可得至4 车辆运动的速度。本文主要阐述了； 微波接收的前置放大电路；后端处理系统的硬件设计和程序框图；d s p 数字信号处理的 算法分析这三个部分。文中分别对不同的谱估计方法进行了比较，其中修正的协方差谱 估计法的效果最好，将它作为估计多谱勒频率的核心算法。最后，在实验中验证了该算 法的精度可以满足实际的需要。 关键字：测速：毫米波；雷达：多普勒：谱估计g 数字信号处理器 a b s t r a c t f o ri m p r o v i n gt h em e t h o do fm o n i t o r i n gt h es p e e do fm o t o r so i l m a d s ，ak i n do f m i c r o w a v ev e h i c l es p e e dm e a s l l r e m e m s y s t e m f o rs p e e d e n f o r e e m e m a g e n c i e si sp r e s e n t e d i t c a nd e t e c tt h e s p e e d o ft h em o t o r e v e r y - t i m e a n d e v e r y - w h e r e t h i s k a b a n d - c w _ d o p p l e r r a d a ro p e r a t e sa t3 4 5 g h z , a n di td e t e c t st h er e f l e c t e dw a v e s b ym o v i n g v e h i c l e s t h ef r e q u e n c yt h a tr e f l e c t e db yt h ev e h i c l e ss h i f t e di nf r e q u e n c y b yd o p p l e r e f f e c t d o p p l e rf r e q u e n c yi s c a l c i n e db ys p e c t r u m e s t i m a t i n g m e a n si nd s pc h i p ，a n dt h e n v e h i c l e s s p e e dc a nb ec a l c u l a t e db yt h i sd o p p l e rf r e q u e n c y t h i sa r t i c l em a i n l yi n c l u d e s t h r e ep a r t s ：c i r c u i t so f m i c r o w a v e m a g n i f i e r ；c o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e s f l o w c h a r t ；a n a l y s i s o fd o p p l e rr a d a r s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d a n a l y s i so f a r i t h m e t i ci sb e e nd o n eb yu s i n gd i f f e r e n tp o w e rs p e c t r u me s t i m a t i o no ns i m u l a t ed o p p l e r s i g n a l t h ek e r n e la r i t h m e t i ci sc o n f i r m e dt ob em o d i f i e dc o v a r i a n c et h r o u g ha u t o - r e g r e s s i o n m o d e l ，b e c a u s ei th a st h eb e s te f f e c t f i n a l l y , i ta c h i e v e sa c c e p t a b l er e s u l ti n e x p e r i m e n t t h r o u g h a l lt h e s em e t h o dm e n t i o n e d b e y o n d w e g e tas m a l l s i z e dl i g h t w e i g h t yp o r t a b l er a d a r d e v i c e ，i ta l s op r o d u c e sr e l i a b l eb e s i d e sp r e c i s e l yr e s u l t s k e yw o r d s ：s p e e dm e a s u r e m e n t ：m iiiim e t e rw a v e ：r a d a r ：d o p pi e r ：s p e c t r u me s t im a t e 数字便携式雷达测速仪 0 前言 0 1 序言 公路交通运输业是国民经济中一个重要的物资生产部门，它推动了生产的发展，对 促进物质交流，改善人民生活，保卫国防，具有十分重要的作用。但事物的发展无不具 有矛盾的二重性，随着交通运输业的突飞猛进，一方面促进了经济社会的繁荣，另一方 面以交通为“致病源”的交通事故也莅噱人的发生，所起的负面效应绝不可忽视。 我国近年的机动车拥有量目前己达6 0 0 0 万辆，并以每年1 0 以上的速度增长，预 计2 0 1 0 年达到1 3 亿多辆，而交通事故的死亡人数为世界的1 0 ，相当于唐山大地震死 亡人数的t 4 ，根据1 9 9 9 年全国发生道路交通事故的情况分析，全年平均每1 2 分钟发 生一起交通事故，约每6 分钟就有一个人因交通事故死亡。因交通事故直接或间接造成 的经济损失更是大的惊人，按最保守的方法计算，每年要达到3 0 0 亿元”j 。 如此多的交通事故是什么原因造成的呢? 由图( o 1 ) 可以看出超速驾驶是造成交通 事故的“第一杀手”。因此对车速的监控对公路交通安全来说具有举足轻重的作用。 圈( o 一1 ) 1 9 9 2 年全国交通事故原因 f i g ( 0 - 1 ) c a u s eo f t r a i t i ca c c i d e n t si ni9 9 2 由于车速快慢，对事故发生和造成事故的严重程度有着直接的关系，因此超速行驶 所带来的危害是多方面的，归纳起来主要有以下几点： 1 ) 超速驾驶使车辆的安全可靠性降低，直接影响驾驶员操作的稳定性，且易造成车辆与 部件的损坏。 2 ) 在碰撞时冲击破坏力大，多为恶性事故。 3 ) 在制动效果上，车速每增加一倍，制动距离增加约为四倍。 数字便携式雷达测速仪 4 ) 超速行驶时，驾驶员精神紧张，心理和生理消耗大，容易疲劳。 5 ) 驾驶员会对相对运动速度的变化估计不足而造成措施过迟，影响整个驾驶操作的及 时性和准确性。 6 ) 在弯路上行驶，车速越高，横向离心力越大，易造成交通事故。 严酷的“交通事故”威胁着无辜者的安全，大肆的破坏着社会的财富，它已成为人 类社会的一大公害。无论是发达国家，还是发展中国家，都将“交通事故”列入重大社 会问题进行研究，因为交通安全是促进经济发展的必要保证。综上所述，对车辆进行速 度的即时监控对于交通安全是至关重要的。研制一台使用方便，有一定精度的监测仪器 也是势在必行的。速度测量的方法有很多种，包括人工测量固定距离行使时间、压力皮 管法、线圈法、图像处理法、雷达测速法和激光测速法【2 】。其中后两种方法测量精度高 并且仪器便于携带，所以被广泛采用。 西方发达国家早在7 0 年代投入使用的雷达测速仪是模拟式的，体积较大，要安装 在某些型号的汽车中在体积上有困难。9 0 年代后研制的含有集成电路数字信号处理器， 工作在微波k a 频段的雷达测速仪，比起模拟式雷达测速仪，工作距离大，捕获目标速 度快，体积小。目前国外雷达测速仪的知名专业制造商主要有d e c a t u m 电子公司、a p p l i e d c o n c e p t s 公司、k u s t o ms i g n a l 公司和m p h 公司等。 我们对大连、本溪和青岛三地的交通管理部门的进行了走访和调查后发现：目前国 内交通管理部门使用的车速测量方法大部分是在路面预设两条压力传感器，通过车辆经 过这一段已知距离的时间来计算出其速度。另外近几年我国交管部门也在一些重要路口 设置了雷达测速仪，但是这两种方法必须预先设置传感器或雷达，不能随时随地的进行 测量。因此，在固定地点测量达不到真正限制车速的目的。现在我国生产便携式雷达测 速仪的厂家还很少，而且大部分是基于过去的模拟技术，仪器体积较大，而且测量稳定 性不高，不适合应用在现在数字化的交通管理系统中。少部分利用数字技术的雷达必须 要与p c 机结合在一起使用，真正应用起来很不方便。 本系统选择k a 频段的毫米波雷达作为微波部件，工作频率为3 4 5 g i - i z ，功率5 0 m w 。 雷达发射的微波经过车辆的反射后会被雷达接收到，由于多普勒效应，接收到的雷达波 的频率与发射波频率相比会产生一定的变化，为了将微波信号变为电信号，我们设计了 一个前置放大电路。微波头输出的微弱信号经过前放板的低频放大之后变成模拟的电信 号。为了应用数字信号处理，将模拟信号经过a d ( t l c l 5 4 9 ) 采样，变换成数字数据输入 d s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ) 芯片中。 系统后端包括数据处理和系统控制两个部分。应用t i 公司的低价位d s p 芯片作为 系统的数字信号处理芯片，d s p 读取a d 变换后的数字信号，经过处理之后将计算出的 车辆速度传递给控制部分。控制部分选用a t m e l 公司高速单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 作为中心 c p u ，控制部分完成的主要工作是：将d s p 处理后的速度数据送l c d ( p c f 8 5 6 6 ) 显示器 显示；处理用户设置的测量阈值：当发现被测速度不在闽值之内的时候蜂鸣器报警；通 过连接在单片机上面的一个键盘来设置闽值。 数字便携式雷达涮速仪 本文还专门讨论了在d s p 芯片中对雷达信号处理的各种算法。其中包括：经典谱 估计的周期图法，并且分别采用了哈明窗( h a m m i n g ) 和矩形窗函数进行数据截短：现代 谱估计中的b u r g 法，采用的是5 0 阶的a r 参数模型；现代谱估计中的协方差法和修 正的协方差法，比较了这两个相类似的方法的计算误差，发现修正的协方差的性能要稍 好一些。在文章中都给出了各种测量方法的测量结果，通过这些测量结果对上面的几个 方法进行了综合比较之后，确定了修正的协方差法作为系统的核心算法。最后利用该算 法对实际测量得到的数据进行了计算。 毫米波雷达测速仪受环境影响不大，测量精度高，对周边环境没有辐射污染，具有 良好的应用前景。对于提高国内交通管理部门自动化程度，缩小其与国际测量水平的差 距有着深远的意义。 0 2 文献综述 在一些文献中可以看到，有一些简单的速度测量仪是利用超声波作为信号源的p 】。 它是利用分频器对接收到的回波信号的频率进行分频，将信号的频率降低之后，将信号 通过一个比较电路，形成方波信号，对方波信号用数周期法确定信号的频率。由于超声 波的频率受温度的影响比较大，因此还有温度补偿部分，利用l m 3 3 5 温度传感器进行 温度测量，然后在单片机中利用公式对测得的频率加以修正。这种超声波速度测量仪的 作用距离大约在10 m 左右。有的微波测速仪也是采用的上面这种频率测量方式【4 l 。将多 普勒信号波形经过绝对值电路交换后，再经过零电路处理，处理后的波形再经过二分频 和多次分频，用单片机处理经过分频后的信号，得到该信号的周期，既可以得到多普勒 信号的频率。这种系统采用的是73 7 g h z 的微波源，波长32 0 c m ”。 a p p l i e dc o n c e p t s 公司在1 9 9 0 年首次引入数字信号处理和微波k a 频段。它生产的 s t a l k e rd u a l 的底面积为6 6 平方英寸，高为1 5 英寸( 即底面积为1 5 1 5 c m 2 ，高4 c m ) 。 它可以通过红外遥控器控制操作，可以用绞接臂稳固的固定在汽车的挡风玻璃上，也可 以用托架安装在汽车的外面。路面实验表明，s t a l k e rd u a l 的捕获速度快，所需时间在一 秒之内，捕获距离也很远。d e c a t u r 电子公司是世界上最老的一家生产雷达测速仪的工 厂，现在仍在生产雷达测速仪，型号为g b n e s i s 型。k u s t o ms i g n a l 的e a g l e 型也应用了 数字信号处理。它有三个显示窗，从它的发光二极管指示屏上可以看到所选择的天线和 工作模式、声音响度和所设置的最大距离。它能工作在x 一、k 一或k a 频段。e a g l e 测 速仪上面有r s 2 3 2 接口，可向汽车电视系统或大型速度显示器上输出速度值。m p h 公 司的p y t h o n 也应用了数字信号处理技术，它也可以使用x 一、k 一或k a 频段。测量单 位可任选英里d , 时或公里d , 时。并有r s 2 3 2 接口与汽车图像纪录系统连接。另外这些 公司也同时开发了激光测速仪【6 】。 在欧洲x 频段的厘米波多普勒雷达经过了2 j 年的使用，它可以在很远的距离上测 数字便携式雷达测速仪 量高速公路和城市道路上的车辆1 7 】。自从1 9 8 2 年以来，就有一种趋势利用更高频率的 雷达，可以得到更高的准确性，并且可以让厂商将雷达做得更小。在中间出现了一种 k u ( 1 3 4 5 g h z ) 频段的过渡性产品。后来在德国和瑞士首先应用了工作在3 4 5 g h z 频率的 多普勒雷达作为测速仪的信号源，这样的雷达的波束宽度更小，能量更集中。对于这种 雷达的设计是利用原来的x 频段雷达的应用经验设计的。由于缺少运动的汽车对雷达波 的反射的知识，通常把整个汽车作为一个整体散射固定的雷达波。经过实验，汽车的最 大反射位置在它的挡泥板、散热器和前大灯上。多普勒雷达的反射波是由多个点反射的 正弦波组成的信号，在传播途中有一定的衰减。它的频谱有带通的特性，频带范围在原 来发射信号频率经过多普勒频移之后的频率周围。测量的结果会由于很多因素的变化而 改变，例如：天线极化、波束宽度、距离、多径、天线的高度、信号的采样率和反射角 度的变化，由于其它汽车的反射和沥青散射都会产生多径效应使得测量精度下降。 毫米波在汽车中的应用越来越广泛，主要的四个应用范围是：自动记录系统 a d s ( a u t o m a t i cd e b i t i n gs y s t e m ) 、道路交通信息系统r t i ( r o a dt r a 伍c n f o r m a t i o n ) 、微 波多普勒传感器m d s ( m i c r o w a v ed o p p l e rs e n s o r s ) 和自动防撞雷达c a r ( c o l l i s i o n a v o i d a n c er a d a r ) 悼j 。前两个属于通信领域的应用，后两个就是雷达方面的应用了。雷达 的应用主要受到几个方面条件的制约，尺寸要小，频率必须是国际允许的【9 。毫米波受 天气情况的影响很小，可以实现比较集中的波束，天线的体积小、重量轻，频率属于国 际电联划分的公用频率范围，由于其这些特殊的优点，尤其是在现在频率划分紧张的情 况下，应用将会更加广泛。 多普勒雷达系统的主要任务就是测定与车辆速度成正比的多普勒频率，有些文章中 提出了利用t i 公司的d s p 来对雷达信号进行数字信号处理【1 ，具体的数字信号处理算 法有很多种。对于多普勒雷达信号的处理，也就是如何得到信号的多普勒频率，在很多 领域都会遇到。在医学领域有很多超声波的检测仪，就是利用血流对超声波的影响来诊 断疾病，其中一项很重要的参数就是血流的速度，即利用多普勒效应来测量的1 1 ”。在医 学领域中的应用，根据波形的局部奇异性( 如拐点) 在小波变换后的不同尺度下将表现 出某些独特性质的结论，可以采用m a l l a t 快速算法对信号进行快速变换提取奇异点，从 而实现多普勒频率点的估计【l ”。在军事领域中的合成孔径雷达中，也要对多普勒中心频 率进行估计，在分析目标回波多普勒历程的时频模型基础上，提出了一种时频滤波的方 法，该方法通过滤除部分强散射点的时频分布来消除功率谱的扭曲，进而提高多普勒中 心频率估计的精度”。 通常测量车辆速度的雷达信号处理中，较为简单的方法就是前面所提到过的数周期 法，但是这种方法应用到毫米波雷达中有很大困难，也十分的不准确，因为毫米波雷达 的频率非常高，没有什么数字器件能够跟得上它的速度，准确地记录它的脉冲数目。还 有就是零交叉分析法( 过零检测法) ，当目标的反射系数较小时( 例如雨天，汽车表面 有水或冰) ，就无法进行测量，而且准确性比较低【】“。还有的算法直接建立在傅立叶变 换的基础上，求出接收信号的频谱最大值，将频谱最大值对应的频率作为多普勒频率。 4 数字便携式雷达测速仪 这种算法受到多径效应和其它物体的影响比较大，当信号中的噪声成分增加时，效果明 显下降。根据对实际多普勒频率的估算，对频谱最大值进行补充研究的f f t 一频谱分析 法对实现精确的速度测量也是不够的i 】“。在车辆自身的雷达测速仪当中，有一种算法将 f f t 技术和基于后信息处理的算法相结合，这里所讲的后信息处理技术表示所测得的多 普勒频谱是与理论计算的频谱相关的。但是这种算法，首先要得到一个理论频谱，而理 论频谱的计算是建立在对目标和地面先验知识的基础之上的，并且要得到实际机动车的 速度和传感器的多普勒频率i l “。当汽车刚刚启动或系统重新启动时，这些参数有的是未 知的，为此要先用f f t 计算频谱分布，并根据频谱最大值确定一个近似的初始速度。随 着车辆速度的不断变化，可以随时调整采样速率，这样可以利用最小的运算量得到最高 的频谱分辨率】。显然这种算法更适合应用在连续测量同一车辆速度的场合，应用在便 携式测速雷达之中时，由于每次测量都是突发的，测量目标也是随机的，缺少很多先验 知识，不能够应用到这里。根据数字信号处理的理论，还可以对非平稳的多普勒信号进 行分段，作为平稳信号来处理【1 。分别对每一段数据进行傅立叶变换，得到每一段数据 的功率谱，然后对所有的功率谱进行平均，最后可以得到整个雷达信号的平均功率谱。 根据这个平均功率谱可以得到近似的多谱勒频率。根据参数模型理论，也可以利用整个 数据序列建立一个a r 参数模型，利用各种方法计算得到a r 模型的参数，a r 模型的 阶数可以通过对估计误差的分析，确定满足测量精度的阶数作为实际的算法采用的阶 数。求得a r 模型参数的方法有很多种，它们的特性各不相同。在对各种多普勒信号分 析技术进行比较之后【l ，可以发现利用现代谱估计的参数模型法来估计多普勒频率的方 法是比较准确的。 数字便携式雷达铡速仪 1 测量原理 1 1 多普勒原理 多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发 生变化。这一物理现象首先在声学上由物理学家克里斯顿多普勒于1 8 4 2 年发现的。1 9 3 0 年左右开始将这一规律运用到电磁波范围。 图( 1 一1 ) 多晋勒雷达测速议原理图 f i g ( 卜1 ) p r i n c i p l eo fd o p p l e rr a d a rs p e e dm e a s u r e m e n t 当无线电波在行进的过程中碰到物体时，该无线电波会被反弹，而且反弹回来的波， 其频率及振幅都会随着所碰到的物体的运动状态而改变。若无线电波所碰到的物体是固 定不动的，那么所反弹回来的无线电波及其频率是不会改变的。然而，若物体是朝着无 线电发射的方向前进，此时所反弹回来的无线电波会被压缩，因此该电波的频率也会随 之增加。反之，若远离波源运动时，接收到的频率较波源的实际频率降低。频率升高或 降低的数值为多普勒频率，由式( 1 - 1 ) 决定： 厶= 等兀 ”1 ) 式中：兀多普勒频率 v 运动目标的速度 c 光速 兀发射波频率 由式( 卜1 ) 我们可以得到： v ，= 筹 。， 6 敷字便携式雷达铡速仪 从式( 卜2 ) 可以看到其它变量都是已知的，只要我们测出了厶，就可以计算出被测车辆的 速度2 m 。 下面来寻找当雷达与目标有相对运动时，雷达接收信号的特征。在这里我们设目标 为理想“点”目标，即目标尺寸远小于雷达分辨单元。 1 2 雷达为发射连续波的情况 多普勒雷达可以分为脉冲式和连续波雷达两种。脉冲式雷达可以从回波信号中提取 目标的速度、距离等信息，但是脉冲式雷达结构复杂，因为存在速度和距离模糊的问题， 信号处理也相对比较困难。脉冲式雷达一般应用在军事等领域。对于我们这种只需要速 度信息的应用，可以使用连续波雷达。连续波雷达的结构简单、成本低，信号的处理也 相对简单，只需要提取信号的频率，而不需要考虑信号的相位和幅度等信息。下面我们 来分析一下连续波雷达的情况【2 ”。 这时发射的信号可表示为 s ( ，) = a c o $ ( o ，o t + p ) 式中钆为发射角频率，p 为初相位，a 为振幅。 由目标反射的回波信号s ，( ，) 为 s r o ) = k s ( t f ，) = k a c o s o ( t 一) + 妒】 ( 1 - 3 ) 式中f ：丝为回波滞后于发射信号的时间，r 为目标和雷达站间的距离，c 为电磁波在 c 空气中的传播速度，它等于光速。k 为回波的衰减系数。 如果目标固定不动，则距离r 为常数。回波与发射信号之间有固定相位差 ( - 0 0 l t ：2 矾三旦：2 a2 r ，它是电磁波往返雷达与目标之间所产生的相位滞后。 当目标与雷达之间有相对运动时，则距离r 随时间变化。设目标以匀速相对雷达运 动，则在时间t 时刻目标与雷达之间的距离r ( t ) 为 r ( t ) = r 一 凡为t = o 时的距离，v ，为目标相对雷达的径向运动速度。 式( 2 4 ) 说明。在t 时刻接收到的波形s r ( f ) 上的某点，是在r f ，时刻发射的。由于通 常雷达和目标间的相对运动速度u 远小于电磁波速度c ，故延时0 可近似写为 数字便携式雷达铡速仪 r ，2 r ( t ) 三( r ) 一v ，f ) ( 1 - 4 ) 回波信号比起发射信号来，高频相位差 妒= 一，= 一二( r v t ) = 一2 万( 局一) 是时间t 的函数，在速度v ，为常数时，产生频率差为 厶= 瓦1 警寺， ( 1 - s ) 这就是多普勒频率，它正比于相对运动的速度而反比与雷达波长五。当目标接近雷 达时，多普勒频率为正值，接收信号频率高于发射信号频率，而当目标远离雷达时，多 普勒频率为负值，接收信号频率低于发射信号频率。 多普勒频率可以直观的解释为：震荡源发射的电磁波以恒定速度c 传播，如果接收 者相对于振荡源是不动的，则它在单位时间内接收到的振荡数目与振荡源发出的相同， 即二者频率相等。如果正当源与接收者之间有相对接近的运动，则接收者在单位时间内 接收到的振荡数目要比它不动时多一些，也就是接收频率增高，但二者作反向运动时， 结果正好相反。 下面我们从( 1 3 ) 式出发，较严格的讨论运动目标回波的特点。在t 时亥收到的回波 是在卜f ，时刻发射的，而照射在目标上的时间是卜：1 ，照射时目标的距离为 r ( r 一等) = r v ，p i r r ) ( 1 6 ) 往返r o 一善) 距离所需时间正是目标的延迟时间，即 r ( t 一姜) 二= f ， 可解得 t ，= 二( 2 r - 2 v ，f ) ( 1 - 7 ) c v 一 将式( 1 7 ) 带入式( 1 3 ) 可得到运动目标的回波为 “r)=kcos苦卜o)o等+纠=kcos【等(-t)o(t-oc兰抑】( 1 _ 8 )一v ，c v rc v ，c + v 7 由式( 1 8 ) 可以看出运动目标回波的特点，其信号角频率变化为坐，或简化为 数字便携式雷达测速仪 苦：盖l + v r 舻 t + 爿2 刊t + 孚概 即信号的角频率简化为：吼= 等。2 石三孑即多普勒频率，相向运动时吼为正。近似 后的结果与式( 1 - 5 ) 所示相同，这就是我们常用的多普勒频率表达式。 我们所用的雷达信号为窄带信号( 带宽远小于中心频率) 。故发射的信号可以表示 为 s ( t ) = r e 阻( ，) 一“】 式中r e 表示取实部；u ( t ) 为调制信号的复数包络：为发射角频率。 同连续波发射时的情况相似，由目标反射的回波信号s r ( f ) 可以写成 j ，o ) = k s ( t t r ) = r e k u ( t 一) 一“一( 1 - 9 ) 当目标固定不动时，回波信号的复包络有一固定延迟，而高频则有一固定的相位差。 当目标相对雷达运动时，按式( 1 4 ) 近似的认为其延迟时间t ，为 ，一2 r ( t ) 三( r 一吖)f = 一i 心一y ，f j 则式( 1 7 ) 的回波信号表示式说明，回波信号比起发射信号来讲，复包络滞后，而高频 相位差妒= - c o o t ，= - 2 1 r - - ；( r o v r f ) 是时间的函数。当速度叶为常数时，妒( d 引起的频率 差为 厶：去宰：2 。咋( 为多普勒频率)d 2 磊。素2 五”，。为多晋朝频翠 即回波信号的频率相对发射频率有一个多普勒频移。 如果要较严格的讨论目标回波的特点，则可将式( 1 7 ) 代入式( 1 9 ) 后，得到 ：r e k 。( 鲁半卜三生) e x p j 6 0 0 ( 坐卜三墅) 】) 。一v ，。一v ，。一。，。一_ f 1 1 0 、 ：r e 胁 ( 三坐) ( f - 三生) 】e x p 【，( 三坐) o ) o ( 卜三生) 】) 。 由式( i - 1 0 ) 可以讨论窄带信号时运动目标回波的几个特点： ( 1 )由指数项，信号角频率已变为璺妹，通常总满足c v ，故角频可做下 c v - 面的简化处理： 9 数字便携式雷达测速仪 等菩* ( t + - 1 2 c o o z ( 1 + 铷 即信号的角频率简化为：钆= 坐= 2 丌生即多普勒频率，相向运动时纨为正值。 oo ( 2 ) 对于复数包络”( f ) 来说，“ 坐( 卜盟) 中因子坐表示信号的时间轴 c 一rc rc v 上的增长或压缩。根据目标运动的方向可确定其是增长还是压缩。目标和雷达相对运动 时，v 。为正值，相当于波形在时间轴上压缩，而在频率轴上频谱展宽。 但在雷达的大多数应用情况下( 包括我们所使用的情况) ，上述包络变化的效应可 以忽略。设发射信号的时宽为f ，由于忽略时间轴伸缩引起的误差为 生r r ：卫r 。堡f c v r c v 。c 当信号的带宽为厂时，上述时间误差可忽略的条件为 堡r 占或者堡r a f - 翌 图( 2 8 ) 自举引导方式选择流程图 f i g ( 2 - 8 ) f l o w c h a r to f b o o t l o a d e rm o d es e l e c t i o n d s p 上电复位之后，首先检查其m p m c 引脚，如果该引脚为高电平，说明d s p 被设置为微处理器工作方式，即从外部程序存储器0 f f s o h 地址开始执行用户程序。在 我们的应用中要将a 6 。五石置为低电平，也就是让d s p 工作在微计算机工作方式，即 从片内r o m 的o f f s o h 开始执行自举引导程序。进入b o o t l o a d e r 后，如有i n t 2 请求中 2 3 圈 一 一一 莎 工 一 澎 数字便携式雷达测速仪 断，则进入h p i ( 主机接口) 引导方式，否则读入地址为o f f f f h 的数据存储器的引导 方式选择字( b o o t r o u d n es e l e c t i o n ，b r s ) 。当b r s = 1 0 a a 时，进入e e p r o m 并行引导 方式，在这里我们将利用并行e e p r o m 加载方式，也就是要设置b r s = 1 0 a a 。 为了将程序代码烧录到f l a s h 中去，首先要对目标文件进行格式转换， t m s 3 2 0 v c 5 4 x 的汇编器和链接器产生的目标文件是二进制的c o f f ( c o m m o no b j e c t f i l ef o r m a t ) 格式文件。这种文件格式采用模块式编程方法，并提供了灵活的管理代码段 的机制，但大多数f l a s h 编程器不能接收c o f f 目标文件格式作为输入。h e x 转换工 具可以将c o f f 目标文件转换成标准的a s c i i 码十六进制格式，使之能让普通的f l a s h 编程器所接受，同时还可以自动的生成t m s 3 2 0 v c 4 5 0 2 的b o o t l o a d e r 代码。在进行代 码转换的时候要注意到所用e e p r o m 的存储器宽度和字的宽度，可以看到a t 2 9 l v l 0 2 4 是一个1 6 位的存储器，其字宽度为1 6 位。而h e x 格式都是面向8 位的字节，默认的 r o m 宽度为8 位。所以要利用- r o m w i d t h 选项改变整个文件的r o m 宽度值。在下面的 命令文件中，将产生允许从位于地址0 x 8 0 0 0 的1 6 位宽a t 2 9 l v l 0 2 4 存储器中引导文件 i n f i l eo u t 的t e x t 段。 i n f i l eo u t oi n f i l e h e x - a 产输入文件+ 产输出文件+ * h e x 格式 m e m w i d t h1 6卑1 6 - b i t 存储器+ r o m w i d t h = 1 6严输出文件是字+ - b o o t o r g 0 x 8 0 0 0 严外部存储器引导+ s e c t i o n s t e x t ：b o o t ) 2 3 3a d 变换 为了将信号输入d s p 进行数字信号处理，必须要对前放板输出的模拟信号进行模 数转换。根据信号的采样定理( n y q u i s t 抽样定理) ，为了能够完全的恢复信号，采样率 必须满足丘2 厂m 。前放板模拟电压范围在o 5 v 之间。通过对上述各项条件的考虑， 同时为了能够得到足够低的转换噪声，我们选择了t i 公司的t l c l 5 4 9 作为系统的模数 转换芯片。该芯片是一款l o b i t 的a l l 器件，共有8 个引脚，只有一个通道，通过串行 通信方式和主机交换转换好的数据，最大采样率可以达到2 0 0 k b p s 。模拟电压输入范围 在r e f 一r e f + 之间。t l c l 5 4 9 的管脚说明如表( 2 5 ) ： 2 4 数字便携式雷达溯速仪 表( 2 - 5 ) t l c l 5 4 9 管脚说明 c h a r t ( 2 - 5 ) t l c l 5 4 9 st e r m i n a lf u n c t i o n 在c s 引脚上的下降沿会导致器件的复位，并且使数据输出端有效，准备对模拟信 号采样。上升沿禁止数据输出，但是器件会自动的锁存上次转换数据。数据输出是按照 同步方式进行的串行通信，在输入输出时钟端的每一个下降沿数据会向外移动一位。两 个参考电压端限定了模拟信号的最大范围。 t l c l 5 4 9 共有六种工作方式，能够适应不同场合的应用，在本系统中我们选择了 转换速度最快，而且最容易精确控制采样率的第一种工作方式。具体时序过程如下：当 片选信号c s 为高电平时，器件没有被选中，数据时钟被禁止，数据输出端为高阻抗状 态。当e 季的下降沿到来之后，器件被选中，数据时钟端被允许。在时钟端的前三个下 降沿，输入电压开始装入电容队列，直到第十个下降沿到来转换完毕。因此要完成一次 转换最少要十个数据时钟的下降沿。当第一次转换完成之后，转换后的数据存储在a d 的锁存器当中。这时我们给一c s 一个上升沿，这个上升沿的高电平持续时间最少不能低 于1 4 2 5 p s ，这样才能够使器件能够识别这个上升沿。然后再给一c s 一个下降沿，重新选 中该器件，这时上次转换的数据就在数据端口准备向外传输。为了让t l c l 5 4 9 能够开 始新的转换，我们仍然需要在数据时钟端口最少提供十个下降沿才能使器件转换完毕。 在这十个下降沿作用在数据时钟端口的同时，上次转换后的十位数据也传输完毕了。通 过重复上述过程，并且严格控制数据时钟和乙手上升沿的时间，我们可以得到所需要的 采样率3 2 k b p s 。其中a d 主要引脚的时序如图( 2 9 ) 所示： 数字便携式雷达测速仪 l i _ 一3 1 2 5 肛+ 1 i 1 12 5 肛l c s 厂厂 厂 r 一”竹雠1 1 7 0 。o 。 n 几f nnnnn 几广 几nnn 几n 几 厂1 nn 几门门 f 1n f l 厂一 帆唧上竺：= 盂；盂上二 图( 2 - 9 ) a d 采样时序图 f i g ( 2 9 ) a ds a m p l m g w a v e f o r m t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 内部拥有两个m c b s p ( m u l t i p l e c h a n n e lb u f f e rs e t a 1 p o n - 多通道缓 冲串口) 。这两个串口具有高度的可编程特性，每个串口的功能都可以单独配置，可以 与其它器件的串行端口直接相连，而不需要任何外部逻辑器件。串行口各引脚功能如表 ( 2 6 ) ： 表( 2 - 6 ) m e b s p 引脚功能说明 c h a r t ( 2 - 6 ) m c b s p st e r m i n a lf u n c t i o n 引脚名称 d xd rc l k xc l k r f s xf s r 引脚说明发送数据接收数据发送时钟接收时钟发送帧同步 接受帧同步 在这里我们将m c b s p l 与t l c l 5 4 9 直接相连来进行a d 变换的控制和数据的接收。 t l c l 5 4 9 与t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的连接示意图如图( 2 一l o ) 所示： t l c l 5 4 9 + 一 c l k ri oc l o c k v c c 。r d a t ao u t r e f + l 艘西 r e f u 】q u 图( 2 - 1 0 ) t l c l 5 4 9 与t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 连接示意图 f i g ( 2 - 1 0 ) s k e t c h m a po f c o n n e c t i o n b e t w e e n a t 9 0 s 8 5 1 5a n d t l c l 5 4 9 串口可以配置为通用i o 模式或者是各种标准串臼模式，在通用i o 方式下，通过位 操作可以实现任何串行操作，但是操作过程始终占用c p u 而且编程比较复杂。因此， 数字便携式雷达溯速彼 在串口复位之后对串口进行初始化，我们将m c b s p 0 设置为标准串口s p c ( s t a n d a r dp o r t c h a n n e l ) 模式。在这里我们只需要利用该串口进行单向数据的传递，也就是说只需要接 收数据，而不需要向器件发送命令字，因此将串口发送控制寄存器s p c r 2 中的顾而位 置1 ，将数据发送功能屏蔽。利用接收帧同步信号控制a i d 的乙i 端，每当帧同步信号到 来时选中a d 器件并且开始准备采样。由于t l c l 5 4 9 对时钟和c s 的下降沿敏感，而且 我们要求比较精确的采样率，所以将接收数据时钟和帧同步脉冲设定为开始于下降沿， 并且没有延时。帧同步脉冲和数据接收时钟都由m c b s p 自己产生。每个帧设置为一个 字，帧同步脉冲设置为在每1 0 个数据接收时钟之后产生，每一次帧同步之后，t l c l 5 4 9 转换后的数据已经发送到t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 中m c b s p 的数据接收寄存器。每一次新的帧 同步都会产生新的中断，在中断处理程序中将数据接收寄存器中的数据读出来保存以便 采样结束之后处理。为了能够获得足够的信息量，保证数据处理的准确性，我们将采样 点数定为2 0 0 0 点，在2 0 0 0 次中断之后结束采样程序。 2 3 4 与单片机通信 在与t l c l 5 4 9 相连的时候，我们已经使用了t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 中两个m c b s p 中的一 个，在与单片机通信的时候，我们就利用另外一个m c b s p 完成这个工作。 我们将在下一节详细介绍这部分内容，这里仅对t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 中与串行通信相 关的一些重要设置作说明。需要传输的数据是将d s p 计算后得到的速度值传送给单片 机，应该说数据的传输也是单向的。与a d 变换的数据传送相反，速度值是由d s p 向单 片机传递。在传送开始之前，我们同样要对m c b s p 2 进行初始化，将串口接收控制寄存 器s p c r l 的r l 骼7 1 位清零，关闭它的接收功能，将串口发送控制寄存器s p c r 2 的舰盯 位设置为1 ，使能它的发送功能。在每一次准备发送数据之前，在x f 端口发送一个持 续几毫秒的低电平脉冲，通知单片机准备好接收数据。单片机返回一个低电平确认信号 到b i o 口，d s p 查询该端口得到一个低电平之后，进入串行通信子程序。首先将要发送 的数据( 速度值) 存入发送数据寄存器x c r 2 ，每个帧长还是设为一个字。当第一个字 发送完毕之后，产生一个帧同步脉冲，由于我们只需要发送一个字的数据，所以并不需 要它起到同步的作用。帧同步脉冲产生一个中断，在中断处理程序中我们就可以结束这 个发送过程。但是为了能够保证发送的数据被单片机正确接收，我们将上述过程重复三 数字便携式雷达测速仅 次，如果单片机返回高电平到葛历引脚，则表示发送成功，可以结束发送，返回低功耗 状态。如果接收到的仍然是低电平，则表示通信失败，重复上述过程。在这里我们利用 了m c b s p 2 端口和x f 、面西两个通用i o 端口，x f 是通用输出引脚，厨石是通用输入 引脚。m c b s p 2 用来传送数据，x f 、3 0 则是我们通常所说的两个器件的握手信号，负 责交换两个器件的状态信息。通信程序的流程图如图( 2 1 1 ) 所示： 运算完毕 允许m c b s p 中断 关闭其他中断 初始化m c b s p 2 x f 输出低电平脉 冲 k ：而为低电卉 ly 发送数据三次 关闭m c b s p 功能 允许其他中断 恢复低功耗状态 图( 2 - 1 1 ) t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 与a t 9 0 s 8 5 1 5 通信流程图 f i g ( 2 - 1 1 ) f l o w c h a r to f c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2a n d a t 9 0 s 8 5 1 5 两个器件的连接示意图将在下一节中给出。 2 4 单片机系统 相对来说，d s p 更适合应用在数据的处理方面，而在事务调度方面，单片机还是有 着自己独有的优点【2 “。单片机是m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 的俗称，从英文名字中我们 可以看出它是专门用来在控制方面应用的，因此它的很多特性使得它在控制中的应用非 常简单，而且编程十分方便。我们在这里也要选择款单片机来配合t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 来完成整个系统的功能。我们已经知道1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的运行速度很快，可以达到 1 0 0 m 1 p s ，为了和外部的器件相连接，其内部有软件等待状态发生器，以保证与外围慢 速器件通信的成功。但是这都是以牺牲程序运行时间为代价的，软件等待状态越长，浪 攀 高j 卜 蓄 数字便携式雷达测逮仪 费的时间也就越多，因此我们希望能够利用尽量快的外部器件，以减少软件等待时间， 使得整个系统地执行时间能够达到理想要求。同时，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是比较新的产品， 它是一种低电压器件，外围设备使用的是3 3 v 电源，与老式的5 v 供电器件电平不能兼 容，中间需要加入7 4 l s 2 4 5 进行电平转换。为了减少使用分立器件的数量，保证数据传 输的高速和准确性，我们最好选择现在使用比较普遍的低电压单片机，而且这种单片机 一般来说耗电量都比较小，更适合应用于我们这种电池供电的系统。目前市场上面较为 流行的a t m e l 公司的a 、佩一a 1 9