（通信与信息系统专业论文）数字信号处理系统在车流量检测系统中的应用与研究.pdf

摘要 智能交通系统是目前城市规划的一个重要方面，车流量检测作为系统中非常 重要的一个环节，它的工作方式也由原先的单一的接触式线圈向混合型的非接触 式的方式转化，车流量雷达检测系统作为智能交通系统用于获取路面信息的一种 方式，具有非常广阔的应用前景。 车流量检测系统由雷达前端，中频电路板，数字电路板，计算机操作界面等 部分组成。本文的主要工作是研究车流量检测系统的后端( 数字板部分) ，重点 探讨如何利用d s p 芯片来对雷达信号进行处理的原理和方法。本文分析了调频 连续波雷达的工作原理，介绍了德州仪器公司t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 芯片的特点和开 发的平台，讨论了数字信号处理器在雷达信号处理中的应用，设计完成了基于 v c 5 4 1 6 的车流量检测器的数字电路板，以满足智能交通发展的需要。文章最后， 对现场实验数据结果进行比较分析，对系统的数字部分进行总结和展望。 数字板硬件主要由以下电路和模块组成：电源管理模块，为各器件提供直流 电源；时钟电路，为d s p 芯片提供工作时钟；a d c 转换电路，对雷达的中频信 号进行连续采样，将模拟信号转换成数字信号；d s p 模块，实现车流量检测雷 达的信号处理算法，控制外围相关芯片，并与计算机通信；存储器模块，一块 f l a s h 用来存储交通信息数据，另一块f l a s h 用来存储程序代码，在d s p 芯片上 电时，片内r o m 内固化的b o o f l o a d e r 程序自动将程序代码加载到d s p 片内r a m 执行；串口通信电路，与计算机通信；三角波产生电路，利用多通道缓冲串口和 d a c 产生，给压控振荡器提供电压；r t c 电路，记录实时时间；c p l d ，实现逻 辑控制功能。 软件部分是在1 1 公司推出的针对标准t m s 3 2 0 调试接口的集成开发环境 c c s 2 下开发完成的，程序的主线为：先对中频信号采集和存储，即将a d c 采 样数据后存放在d s p 片内r a m 中，采集到一定量数据后利用快速傅立叶变换 进行频谱分析，运用自适应算法确定门限，并根据车流量检测相关原理和经验计 算，统计出车流量信息。 关键字：车流量检测d s pf f t 数字信号处理 t m s v c $ 4 1 6 软件开发平台c c s a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ( r r s ) i sak e ya s p e c to fu r b a np l a n n i n g t h ev e h i c l e f l o wd e t e c t o ri sav e r yi m p o r tp a r ti nt h es y s t e m ，a n di th a sb e e nc h a n g e df r o ma s i n g l ec o n t a c tl o o pt oam i x e dn o n - c o n t a c tm o d e v e h i c l ef l o wd e t e c t i o nr a d a rs y s t e m a so n eo fa c c e s s e sf u rr o a di n f o r m a t i o nw i l lh a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si n1 t s t h ew h o l es y s t e mc o n i s t s ：r a d a r , c u t t i n gi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yc i r c u i tb o a r d ， d i g i t a ls i g n a lc i r c u i tb o a r da n dc o m p u t e ro p e r a t i o ni n t e r f a c e t h i sp a p e rm a i n l y s t u d i e st h ee n dp a r to fv e h i c l ef l o wd e t e c t o r ( d i g i t a lp a r t ) ，f o c u s e do nh o wt ou s i n g d s pc h i pt or e a l i z et h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fv e h i c l ef l o wd e t e c t i n gw i t ht h e r a d a rs i g n a l t h i sp a p e ra n a l y s i st h ew o r kp r i n c i p l eo fr a d a r ：f m c w ( f r e q u e n c y m o d u l a t e dc o n t i n u o u sw a v e ) ，i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n t p l a t f o r mo ft m s 3 2 0 v c 5 4 1 6f r o mt e x a si n s t r u m e n t sc o m p a n y , t h e na na p p l i c a t i o n o ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri nt h i sr a d a rs i g a lp r o c e s s i n gi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r w ed e s i g n e dt h ed i 百t a lc i r c u i tb o a r do fm i c r o w a v ev e h i c l ed e t e c t o rb a s e do n t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6t of u l f i l lt h er e q u i r e m e n to fi t s f i n a l l y , t h ed a t ag o tf r o m e x p e r i m e n ti sc o m p a r e da n da n a l y s e da n ds u m m a r ya n dp r o s p e c t so fs y s t e mi s p r e s e n t e d t h ed i g i t a lc i r c u i tb o a r do fm i c r o w a v ev e h i c l ed e t e c t o rm a i n l yc o n s i s t st h e f o l l o w i n gm o d u l e s ：p o w e rm a n a g e m e n tm o d u l ec i r c u i t s ，i tp r o v i d e sd cp o w e rs u p p l y f o rv a r i o u sd e v i c e s ；c l o c kg e n e r a t i n gc i r c u i t s ，i tg e n e r a t ed s pc o r ec l o c k ；t h ea d c o n v e r t e rc i r c u i t ，i ti s c o n t i n u o u s l ys a m p l i n gt h ei fs i g n a la n dc h a n g i n ga n a l o g s i g n a l st od i 百t a ls i g n a l s ；t h ed s pm o d u l e ，i te x e c u t e sr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h m s ，a l s oc o n t r a l so t h e rr e l a t e dd e v i c e s , c o m m u n i c a t e sw i t hp c ；m e m o r y m o d u l e ，i tu s e st w on o rf l a s h ，t h eo n ei su s e dt os t o r ec o d eo ft r a f f i cf l o wd e t e c t i n g , t h ec o d ew i l lb el o a d e dt or a m b yb o o t l o a d e rp r o g r a mi nr o mw h e nt h es y s t e mi s p o w e r e dt h e ne x c u t e di nr a m o fd s p ，t h eo t h e ri su s e dt os t o r ed a t ao ft r a f f i c i n f o r m a t i o n ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，i ti sr e s p o n s i b l ef o rc h a n g i n gp a r a l l e ld a t a t os e r i a ld a t aa n dc o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e r ；t r i a n g u l a rw a v ec i r c u i t ，t r i a n g u l a r w a v ei sc r e a t e db ym c b s po fd s pa n das e r i a ld a c , a n di ti ss e n tt ov c o ( v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) ；r t cc i r c u i t ，w h i c hi su s e dt or e c o r dr e a l t i m e ；c p l di su s e d t oa c h i e v ec i r c u i tl o g i cc o n t r a l t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e du n d e rt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc c s 2 ， w h i c ha i m e da tt h et i st m s 3 2 0d e b u gi n t e r f a c es t a n d a r d s ，s o f t w a r er e a l i z e sm a i n p r o c e s sa sf o l l o w s ：c o u e c ta n ds t o r ei fs i g n a l ，t h a ti s ，p u ts a m p l e dd a t af r o ma d c i n t or a mo fd s pc h i p ；a f t e rac e r t a i na m o u n to fd a t ai sc o l l e c t e d ，u s i n gf a s tf o u r i e r t r a n s f o r mt oh a v es p e c t r u ma n a l y s i s ，a n du s i n ga d a p t i v et h r e s h o l d i n ga l g o r i t h mt o c a l c u l a t et h r e s h o l d s ；t h e ng e ts t a t i s t i cr e s u l ta b o u tv e h i c l ef l o wi n f o r m a t i o na c c o r d i n g t ot h et h e o r ya n de x p e r i e n c eo fv e h i c l ef l o w k e y w o r d s ：v e h i c l ef l o wd e t e c t o r d s pf f r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6c o d ec o m p o s e rs t d i o 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：歪l 监 日期：22 ：2 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名： 同j 彳 导师签名： 日期： 翌：6 ：2 日期： 华东师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 智能交通系统概述 一为什么提出智能交通系统? 当今世界各国的大城市无不存在着交通拥挤问题。以美国为例，在城市交通 中的高峰时期，5 4 的车处于拥挤状态。由于交通拥挤，人们每天消耗在上下班 的时间比平时平均多了1 5 小时。同时导致商业车辆在交通运输中延误，增加了 运输成本。然而有限的土地和经济制约等使得道路建设不可能达到相对满意的里 程数，所以就需要在不扩张路网规模的前提下，提高交通路网的通行能力。这就 需要综合运用现代信息与通讯技术等手段来提高交通运输的效率。 二智能交通系统( n s ) 的概念 智能交通系统( i t s ) 是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感 技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系 统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通 运输管理系统。即智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 。 1 2 国内外i t s 研究发展现状 美、欧、日等发达国家i t s 发展正处于产业化形成和大规模应用阶段。美国 i t s 的研发主要采取自上而下模式，首先从i t s 体系结构入手，通过体系结构研 究，引出各子系统功能，然后逐步研发实施。日本采取官、民、学协调体制，民 间起步，政府协调，拨款资助。欧洲为官方( 主要是欧盟) 和民间并行。一方面， 西方发达国家开展了许多关于部门间信息共享、以及公有一私有关系的专项研 究，从法规、政策、机制等方面对部门问信息共享给予了一定的保障；另一方面， 西方发达国家的i t s 建设已经发展到一定程度，普遍开展了较高层次的交通信息 服务。然而，在提供良好的交通信息服务的背后，必定要有功能强大、信息资源 丰富的i t s 共用信息平台作为支撑。 在我国，城市智能交通已逐步得到社会各界的广泛关注，并已成为交通领域 的研究热点，社会各界对通过智能交通系统建设、缓解日益严重的交通问题寄予 了厚望。鉴于城市智能交通系统建设涉及到城市管理多个部门。因此，只有各相 关部门协调配合、共同行动起来，在必要的机制和技术手段下充分实现部门间的 信息共享，城市智能交通才可能顺利建设和发展。为此，国家科技部提出了建设 城市交通i t s 共用信息平台的构想，在此基础上广泛开展关于交通综合信息的研 华东师范大学硕士学位论文 究和应用。“中国智能交通发展战略研究”是国家科技攻关重大专项“智能交通 系统( i t s ) 关键技术开发和示范工程”的重点课题之一【3 l ，是目前我国在智能 交通领域第一次开展的跨行业、多领域、全范围的战略研究，他从国家全局的角 度出发，重点研究我国今后一段时期内i t s 的战略目标、指导思想、政策和保障 措施、重点发展领域、标准化和产业化等问题，从而确立我国i t s 的整体发展方 向和阶段发展目标。另外，首都北京2 0 0 8 年奥运会以及2 0 0 7 年i t s 世界大会的 举办对于全国各大城市加快i t s 的投资力度和建设步伐，无疑将起到催化剂的 作用。 1 3 国内外i t s 采用的车流量检测技术 在智能交通系统建设中，车流量信息检测是一个重要的课题，在城市道路建 设、国道高速公路建设、隧道桥梁建设以及交通流的基础理论研究中占有很重要 的位置。它对现代交通科学管理和决策起到了重要的辅助和量化的作用。下面介 绍目前常用的几种车流量检测技术。 ( 1 ) 空气管道检测 空气管道检测是接触式的检测方法，在高速公路主线的被检测点拉一条空心 的塑料管道并作固定，一端为封闭，另一端连接计数器，当车辆经过塑料管道时， 车轮压到空气管道，管内空气被挤压而触动计数器进行计算车流量的方法。 ( 2 ) 磁感应检测器( 多为埋设式检测系统) 磁感应检测器分线圈和磁阻传感器两种。 环形线圈检测器是传统的交通流检测器，是目前世界上用量最大的一种检测 设备。车辆通过埋设在路面下的环形线圈，引起线圈磁场的变化，检测器据此计 算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数。 磁阻传感器的原理是：在铁磁材料中会发生磁阻的非均质现象( a m r ) ，当沿 着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施 加一个磁场，合金带自身的阻值会发生变化。利用a m r 磁阻效应生产的a m r 磁阻传感器成功地将三维方向( x ，y ，z ) 的单个传感器件集成在同一个芯片上， 而且将传感器与调节、补偿电路集成一体化，可以很好地感测地磁范围内低于1 高斯的磁场，可以根据一些铁磁物体对地磁的扰动，来检测车辆的存在，也可以 根据不同车辆对地磁产生的扰动不同来识别车辆类型。 ( 3 ) 波频车辆检测器( 多为悬挂式检测系统) 波频车辆检测器是以微波、超声波和红外线等对车辆发射电磁波产生感应的 检测器。 微波监测器可_ f 挂也可侧挂，侧挂一套设备可同时检测双向8 车道，但如道 华东师范大学硕士学位论文 路中间有隔离带，则需安装两套设备进行检测。 红外检测器是顶置式或路侧式的交通流检测器。该检测器一般采用反射式检 测技术。反射式检测探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成，其工作原理 是由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通过时， 红外线脉冲从车体反射回来，被探头的接收管接收，经红外解调器解调，再通过 选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。 超声波检测器是根据声波的传播和反射原理，通过对发射波和反射波的时差 测量实现位移测量的设备，声波在空气中的传播速度为3 4 0 m s ，由此可根据反 射波和发射波的时差计算出反射物距探头的距离。超声波检测器的工作原理是： 由超声波发生器( 探头) 发射一束超声波，再接收从车辆或地面的反射波，根据反 射波返回时间的差别，来判断有无车辆通过。由于探头与地面的距离是一定的， 所以探头发出超声波并接收反射波的时问也是固定的。当有车辆通过时，由于车 辆本身的高度，使探头接收到反射波的时间缩短，就表明有车辆通过或存在。 ( 4 ) 视频检测器 交通视频技术是指使用计算机视频技术检测交通信息，通过视频摄象机和计 算机模仿人眼的功能。它的原理是：在视频范围内划定虚拟线圈，车辆进入检测 区域使背景灰度发生变化，从而感知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度。 与传统的交通信息采集技术相比，交通视频技术有着直观可靠，安装维护方便， 检测范围广等优点，随着计算机技术、数字图像处理和模式识别技术的发展，计 算机视频技术必将在交通信息检测中占据越来越重要的地位。 表1 1 对上述四种常用的车流量检测技术的优缺点做了详细的比较。 技术优点缺点 气压管传感器技 1 车辆分犁准确1 同时检测的车道数较少 2 能够获得每辆车的车轴信2 i r 难分辨纵向过于靠近的 术 息车辆 磁感戍技术( 磁 1 可检测小车辆，包括自行车1 r 难分辨纵向过于靠近的 2 适合在不便安装线圈场合 车辆 阻传感器) 采用2 安装费时费力 波频传感器 1 在恶劣气候下性能出色1 安装条件要求较高 f 微波 2 可检测静止的车辆2 不能对车辆进行准确分型 超声波 3 可以侧向方式检测多车道 4 直接检测速度 1 为事故管理提供可视图像1 安装条件要求较高 2 可提供大屠交通管理信息2 大车可能遮挡随行的小车 视频检测技术 3 单台摄像机和处理器可检3 阴影积水反射或昼夜 测多车道 转换可造成检测误差 表l 一1 四种检测技术的性能比较 由于雷达的探测精度高、抗干扰性能强、全天候、易于安装、体积小的特点， 采用雷达来完成智能交通系统中车流量和车速等检测与监控是目前较主要的手 3 华东师范大学硕士学位论文 段。基于此设计开发的车流量检测信号处理的软硬件平台，组成了车流量实时检 测系统，该系统对实现车流量的有序监控，保证道路交通的通畅，实现交通管理 智能化，具有重要的意义，其他形式的传感器无论作用距离和适用条件都不能与 雷达相比，只有雷达可以在全天候的情况下，测量远距离的运动目标。因此，雷 达是目前i t s 获取路况交通信息的一个重要的工具。利用雷达不仅可以获得交通 路况信息，解决交通拥堵问题，而且可以根据所获得的道路交通信息来减少交通 事故的发生。尽管国外诸如加拿大、美国等研究机构进行了此方面的研究，但这 些产品不仅价格比较昂贵，同时技术支持，产品维护不到位，不能全方位地满足 国内的交通需求，因此具有独立知识产权的微波交通检测器的研制很大程度满足 国内的需求。 1 4 d s p 应用系统 数字信号处理( d s p ) 是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴 学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应 运而生并得到迅速发展。数字信号处理是围绕数字信号处理理论、实现和应用等 几个方面发展起来的，已广泛应用在遥感、语音处理与识别、人工智能、核技术 等领域。一些模拟系统也逐渐改用数字信号处理系统，以便提高稳定性和精度， 增加新功能。本文的出发点也是基于此。 数字信号处理的实现方法一般有以下几种： 在通用计算机( 如p c ) 上用软件实现 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现 用通用的单片机实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处 理，如数字控制 用通用的可编程d s p 芯片实现 用专用的d s p 芯片实现 一d s p 芯片概述 d s p 芯片，即数字信号处理芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于 进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号 处理算法。它一般具有如下主要特点： 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 程序和数据空间分开，可同时访问指令和数据 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问 具有低丌销或无丌销循环及跳转的硬件支持 4 华东师范大学硕士学位论文 快速的中断处理和硬件i o 支持 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 可以并行执行多个操作 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以并行执行 二d s p 芯片的结构 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结 构。 1 哈佛结构 哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储 器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。相 对应的，该结构分别设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高一倍， 而且取指和执行完全重叠。 2 流水线操作 流水线操作与哈佛结构有关。d s p 广泛采用流水线，以减少指令执行的时间， 从而增强处理器的处理能力。处理器可以并行处理2 4 条指令，每条指令处于 流水线的不同阶段。 3 多总线结构 大部分d s p 内部都采用了多总线结构，这样就能保证在一个机器周期内， 可以同时访问数据和程序存储空间，解决了传统芯片的总线冲突问题，使系统的 速度和效率大大提高。 4 专用的硬件乘法器 乘法运算速度越快，d s p 的性能越高。由于具有专用的硬件乘法器，乘法可 在一个机器周期内完成。 5 特殊的d s p 指令 为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在d s p 指令系统中，设计了一 些特殊的d s p 指令，以完成某些专门运算。如c 5 4 x 的f i r s 指令，专门用于 f i r 滤波运算。 6 快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令，再加上集 成电路的优化设计，可使d s p 的指令周期在5 0 n s 以下。 三d s p 应用系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础的，具有数字处理的全部优点。 1 接口方便 d s p 应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的， 华东师范大学硕上学位论文 它与这样的系统接口以实现设计功能比模拟系统与这些系统的接口要简单许多。 2 编程方便 d s p 应用系统中的可编程d s p 芯片可以使开发人员在开发过程中灵活方便 地对软件进行修改和升级。 3 稳定性好 d s p 应用系统是一个数字化的系统，数字化系统一个最大的特点就是受环境 温度以及噪声的影响小，可靠性高。 4 精度高 d s p 系统的数据位宽一般为1 6 或3 2 ，可以达到很高的精度。 5 可重复性好 模拟系统的性能受元件参数性能变化的影响比较大，而数字系统基本不受影 响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 6 集成方便 d s p 系统中数字部件具有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，d s p 数字信号处理也存在自身的缺点。如，对于简单任务的信号处理， 若采用d s p 则使成本大大增加，而且d s p 系统中的高速时钟可能带来高频干扰 和电磁泄漏等问题。还有，d s p 系统的功耗比较大。 虽然d s p 应用系统存在着上述这些缺点，但其突出的优点已经使它在通信、 语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等领域得到越来越多的应用。 四d s p 的系统构成 抗混叠嚣渡 - d- 聪p 棼片_ n a _ -平滑滤波 图l 一1 典型d s p 系统框图 图卜1 为一个典型的d s p 系统框图。输入信号首先进行滤波和采样，然后 进行a d 转换，成为数字信号。d s p 的输入是a d 采样后的信号，d s p 对输入 的数字信号进行处理，经处理后的数字样值再经d a 转换为模拟信号，最后进 行平滑处理，驱动功率元件和其他元件。 1 5 本文的主要内容和结构安排 车流量检测系统项目包括研发雷达前端，中频电路板，数字处理板和计算机 6 华东师范大学硕士学位论文 操作界面这些部分。本文的主要内容是基于d s p 的数字信号处理系统在车流量 检测系统中的应用研究，可以分为硬件，软件两个部分。硬件板设计基于d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ，利用a d c 芯片t h s l 2 0 6 将雷达回波的模拟信号转换为 数字信号；利用u a r t 芯片t l l 6 c 7 5 2 b 和电平转换芯片m a x 3 1 6 0 完成与计算 机进行通信；利用c 5 4 1 6 的多通道带缓冲串行接口m c b s p 和d a c 芯片t l v 5 6 3 8 来产生调频三角波，利用n o r 型同a s h s s 乃9 d o ，s s t 3 9 v f 3 2 0 分别存储程 序和数据；利用实时时钟p c f 8 5 6 3 来记录日期与时间；利用x i l i n x 公司的 x c 2 c 6 4 完成信号的逻辑控制功能。软件可以分为两部分，一部分是执行程序， 主要实现数据采集，f f i 变换，频谱分析，自适应门限确定，“零信号”现象处 理，车流量统计算法，与p c 机通信，产生调频三角波，和大容量数据存储和调 用功能：另一部分是搬移( 在线烧写) 程序，用来将l o a d 在d s p 片内r a m 中 的执行程序搬移到片外f l a s h 中，使其能掉电存储。当系统上电时由片内r o m 中的自举启动( b o o t l o a d e r ) 程序再搬移到r a m 中高速执行。 本文的创新之处在于： 1 本系统是国内首例在国际先进的i t s 技术基础上开发具有中国自主知识 产权和专利的智能交通系统及相关软硬件。 2 采用先进的d s p 芯片对雷达回波信号进行处理，得出车流量以及其它交 通信息，整个数字板用一片d s p 芯片完成控制和处理的各项任务。 3 根据车道流量信息与雷达回波信号在频域中的功率谱幅度，频率点参数 相关的原理，运用自适应门限，“零信号”现象处理等方法对车流量信息进行准 确统计。 本文的结构安排如下： 第二章介绍雷达的知识，包括雷达的不同类型，分析了车 流量雷达即f m c w 体制雷达的工作原理，并给出系统的主要工作 框图。 第三章介绍了d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的特点和数字信号 处理电路板的硬件电路的设计方法，并对系统的几个独立的模块分 别给予介绍。 第四章首先针对d s p 软件开发的特点，对v c 5 0 0 0 系列 d s p 芯片的开发方法作了介绍，接着回顾了快速傅立时变换的算 法，详细阐述了车流量软件的设计思想和实现方法，最后对在线 b o o tl o a d e r 的概念和在线烧写f l a s h 的方法作了介绍。 第五章对外场实验结果进行比较分析。 第六章对车流量检测系统数字部分进行总结和展望。 华东师范大学硕士学位论文 第2 章车流量雷达检测系统概述 2 1 雷达简介 雷达( r a d a r ) 这一名称来自“无线电探测与定位”( r a d i o d e t e c t i o na n d r a n g i n g ) 的英文缩写，它是利用电磁波探测目标的电子设备，主要由天线、发射机、接收 机( 包括信号处理机) 和显示器等部分组成。雷达概念形成于2 0 世纪初，在第 二次世界大战前后获得飞速发展。雷达的工作原理，是设备的发射机通过天线把 电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射雷达发射的电磁波。由 于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被 噪声所淹没。雷达天线接收此反射波，需送至接收机进行放大和信号处理，提取 有关该物体的某些信息( 目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、 高度等) ，送到显示器让人能够看到这些信息。 根据波形来区分，雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类。当前常用的 雷达大多数是脉冲雷达。常规脉冲雷达周期性地发射高频脉冲。相关的参数为脉 冲重复周期( 脉冲重复频率) 、脉冲宽度以及载波频率。载波频率是在一个脉冲 内信号的高频振荡频率，也称为雷达的工作频率。雷达天线对电磁能量在方向上 的聚集能力用波束宽度来描述，波束越窄，天线的方向性越好。但是在设计和制 造过程中，雷达天线不可能把所有能量全部集中在理想的波束之内，在其它方向 上在在着泄漏能量的问题。能量集中在主波束中，我们常常形象地把主波束称为 主瓣，其它方向上由泄漏形成旁瓣。为了覆盖宽广的空间，需要通过天线的机械 转动或电子控制，使雷达波束在探测区域内扫描。 2 2 f m c w 雷达体制 与脉冲雷达不同，调频连续波( f m c w ，f r e q u e n c ym o d u l a t e dc o n t i n u o u s w a v e ) 雷达发出的电磁波频率并不是固定不变的，而是随线性调制信号电压的 变化而变化。系统中使用的调制信号为三角波，f m c w 雷达工作波形示意图如 图2 - 1 所示。某一时刻雷达接收到的物体反射回来的电磁波频率等于t 之前雷达 发射的电磁波频率( 如果有相对运动则不相同，存在多普勒频移) ，而这一时刻 雷达正在发射的电磁波频率较l 之前改变了f 。雷达将接收到的电磁波和当前 萨在发射的电磁波经混频器作用后输出中频( 1 f ) 信号，中频信号的频率等于它 9 华东师范大学硕士学位论文 们两者频率之差f 。因为三角波是线性的，所以中频信号的频率a f 与物体离雷 达的距离r 成正比。 发射信号反射信号 图2 1f m c w 雷达测距原理 下面推导f 与r 之间具体关系。由于电磁波的传播速度是光速c ，雷达发出 电磁波被物体反射回来所花的时间为：a t 2 一r c 从图上可以看出，雷达接收到的电磁波和a t 之前发射的电磁波频率相同，在 a t 时间内，雷达发射的电磁波频率改变了： a f - 半a t 一2 a f f 2 r 比如雷达使用的三角波频率是1 9 5 k h z ，a f = 9 0 m h z ，r = l m 时，算得： a f 2 x 9 0 x 1 0 6 h z x = ；1 9 5 k - h z x 2 x 一l m ，2 3 4 k h z 3 1 0 。m s 即物体距离雷达l m 时，中频信号频率f = 2 3 4 k h z 。 2 3 车流量雷达工作原理 车流量雷达是f m c w 雷达，它被安装在马路边的竖直高杆上，俯向下往各 车道发射微波，并接收各车道上车辆反射回来的微波。由于车运动方向和微波传 播方向垂直，所以不存在多普勒频移。各车道上车辆和雷达之间距离不同，反射 回来的电磁波与当前雷达发射的电磁波频率之差也不同，雷达通过对中频信号进 行频谱分析，判断各车道对应频率分量的强弱，从而知道各车道有没有车存在， 进一步进行车流量信息统计。图2 一2 为雷达安装示意图。 1 0 华东师范大学硕士学位论文 图2 2 雷达安装示意图 为了降低完全遮挡情况的发生，车流量检测系统必须安装得比最高的卡车还 要高，如高于地面5 米。由于被挡住的车辆的反射微弱，车流量检测系统并不 能探测到所有被挡住的车辆。如图2 - - 3 所示。 i j a eil 4 t 2l a _ tjh i t4 图2 3 检测器检测被遮挡的车辆 2 4 车流量雷达系统的组成 车流量雷达系统整体主要部分框架如图2 4 所示。雷达前端天线发射微波 并接收物体回波，回波信号与当前发射信号经过混频器作用，输出的中频信号中 从十几k h z 到几十k 的频率分量包含了各个车道有无车的信息，但比较微弱， 需要放大，此外由于调频三角波的泄漏，有较大的三角波各次谐波分量，一般小 于十几k h z ，需要滤除。所以中频信号要经中频电路作用，滤除三角波各次谐波 分量，放大所要分析的频率分量。 华东师范大学硕士学位论文 图2 4 车流量雷达系统整体框图 经滤波，放大后的模拟中频信号送至数字电路板，再通过a d c 转化成数字 信号，送给d s p 进行数字信号的处理，提取车流量信息。车流量信息可以直接 存入数据存储器d f ，也可以直接通过串口发给计算机，c f 用来存储程序，利用 d s p 的多通道带缓冲串口和d a c 产生2 k 的调频三角波给压控振荡器v c o ，计 算机界面和d s p 处理器之间由串口进行通信，界面发送各类参数，命令给d s p ， 并读取d s p 统计出的车流量信息，送至计算机界面以供显示。 华东师范大学硕士学位论文 第3 章车流量检测系统数字部分硬件设计 3 1 前言 雷达信号处理主要有模拟及数字两种方式。模拟信号处理方式虽然有响应 快、实时性高等优点，但同时也存在电路复杂，调试及维护困难等问题，而数字 信号处理方式相比具有很多优点，如：计算精度高，处理算法灵活，接口方式方 便等，且随着集成电路技术的发展，数字系统的速度越来越高，因此采用数字信 号处理器已经成为当今普遍的方案。 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , 简称d s p ) 是一种专门用于数字信 号处理的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门 的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现 各种数字信号处理算法，如：f f t 、数字滤波、卷积、相关。自从2 0 世纪7 0 年 代末d s p 芯片诞生以来，随着d s p 芯片性能价格比和开发手段地不断提高，d s p 芯片在通信与信息系统 信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航天航空、 医疗、家用电器等许多领域得到了广泛地应用。 d s p 芯片按用途可以分为通用型和专用型两大类。通用型d s p 芯片是一种软 件可编程地处理器芯片，适合普通地d s p 应用，专用型d s p 芯片则将d s p 处理 算法集成到芯片内部，由硬件来实现算法，速度快，但通用性差，一般适用于某 些专用的场合。 与单片机相比，d s p 芯片具有更加适合于信号处理的硬件和软件资源，可 用于复杂地数字信号处理算法。d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法运算； ( 2 ) 程序和数据空自j 分开，可以同时访问数据空间和程序空问； ( 3 ) 具有片内快速r a m ，通常可通过独立的数据总线同时访问两块芯片； ( 4 ) 具有低开销或零开销循环及跳转硬件支持； 巧) 快速地中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有多个在单周期内操作地硬件地址产生器； 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以重叠执行 华东师范大学硕士学位论文 3 2 d s p 模块 一t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 简介 t m s 3 2 0 c 5 4 系列是1 1 公司于1 9 9 6 年推出的新一代定点数字信号处理器。 它采用先进的修正哈佛结构，片内共有8 条总线( 1 条程序存储器总线、3 条数 据存储器总线和4 条地址总线) 、c p u 、在片存储器和在片外围电路等硬件，加 上高度专业化的指令系统，使c 5 4 具有功耗小，高度并行等优点，可以满足电 信等众多领域的实时处理要求。 图3 1t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 功能框图 1 m s 3 2 0 c 5 4 1 6 的主要特点如下： 运算速度快，主频为1 6 0 m h z 。 采用了增强的哈佛结构，芯片内设计了1 条程序存储器总线和3 条数 据存储器总线，能在单周期内完成两次读操作和一次写操作。 优化的c p u 结构，集成了维特比加速器，用于提高维特比编译码的 速度。 存储器资源丰富，共有6 4 k 字的双访问r a m 和6 4 k 字的单访问r a m 和1 6 k 的掩模r o m 。 智能外设，除了标准的串行口和时分复用( t d m ) 串行口外，还提 供了自动缓冲串行口b s p 与外部处理器通信的h p i 接口。 二t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 部分内部资源介绍 1 4 华东师范丈学硕士学位论文 1 片内存储器 t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 片上含有1 2 8 k x1 6 b i t 的r a m 和1 6 k x1 6 b i t 的r o m ，可以分 别映射为三个独立的存储空间，即程序、数据和i o 空间。 c 5 4 1 6 具有三个c p u 状态寄存器位，影响存储器的配置，这三个状态位是处理 器模式状态寄存器( p m s t ) 中的位：归m c 、o v l y 和d r o m 。具体影响如下 ( 1 ) 咿m c 位 当m p m c = o ，则片内r o m 映射到程序存储空间；m p m c = 1 ，则片内r o m 不映 射到程序存储空间。 ( 2 ) o v l y 位 若o v l y = 1 ，则片内r a m 映射到程序和数据存储空间；o v l y = o ，则片内 r a m 只映射到数据存储空间。 ( 3 ) d r o m 位 当d r o m = 1 ，则部分片内r o m 映射到数据存储空间；当d r o m = 0 ，则片内 r o m 不映射到数据存储空间。 图4 4 为t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 存储器映射图 r e s e r # e d ( o w y = 髓 e x t e m a l f o v l y = 们 o n * c h i p 姒r a m o j o v l y ：1 e x t e m a i o v l 一= 0 j e x t e r n a l i n t e r r u p t s 眶x t e r n a b m p 赛：1 m i c r o p r o c e s s o rm o d o ) 。h e 。x 厂p a l g e 夏0p ：r o , 丁g r a m 删咖嚣茹搿删 h e x 0 0 0 0 o o s f 0 0 6 0 0 0 7 f e 0 0 0 u e m o r y 瑚a p p e r e g i 6 t s r s s c t a t c h - p a d r a m o n - c h i p 0 a r a 嘲o 一3 3 2 k * 1 6 - b i t 图3 2t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 存储器映射图 o n - c h i p d a