（信号与信息处理专业论文）基于微波的交通信息采集系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 实时交通信息是智能交通系统( i t s ) 的最基本的信息源之一，只有对各道路 实时交通信息有了准确地掌握才能有效地实施和发挥诸如交通诱导之类的i t s 功 能，因此对交通信息的实时检测技术是i t s 技术中最核心也是最基本的技术之一。 本文通过对基于微波的交通信息采集技术方面的一系列软硬件的研究，解决实际 应用中的各种关键问题，开发出精度高、稳定性好以及全天候的实用化的交通信 息采集系统，以满足i t s 系统发展的需求。 结合微波雷达探测器的应用背景，本文首先阐述智能交通系统及微波雷达检 测在智能交通中的应用，介绍了智能交通系统中路面信息采集各种不同方式的优 缺点，提出基于微波雷达检测系统进行路面信息采集的优越性和必要性，说明了 本文的选题背景及主要研究内容。根据检测的具体应用需要，在提出微波雷达的 工作原理、阐述系统的硬件设计和软件设计总体方案之后，本文分别从d s p 电路 板硬件设计与实现、客户端软件设计与实现两个方面进行阐述。 d s p 电路板作为系统的核心部件，负责整个软件算法和通讯等功能的实现， 它的系统指标、功能要求与稳定性至关重要。本文首先对雷达数字板的总体结构 设计进行了论述，并对数字板的核心部件d s pt m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 进行了简要的介绍。 接着，本文从a d 模块、实时时钟模块、数据存储模块、以太网模块、电源及复 位模块等数字板的6 大部分分别进行了详细的论述。通过实际的应用，d s p 电路 板的功能性和稳定性满足实际应用的需要。 d s p 电路板硬件为系统的实现提供了一个平台，而软件则具体实现了系统的 功能。本文首先通过对系统软件的整体架构进行论述，使后继的驱动代码编写有 一个提纲。然后，分别对信号采集、频谱分析、e m i f 接口设计等低层驱动进行了 详细的论述。底层驱动软件的编写为顶层算法和数字信号处理软件提供了针对于 硬件电路的函数，实际应用已经对相关代码进行了验证。 本文最后给出了我们在外场试验的测试数据，和误差分析。从测试数据来看， 我们的交通信息检测雷达的稳定性和测量车流量的准确性基本达到了实际应用的 需要。 关键词：智能交通系统，d s p ，交通信息采集，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 a b s t r a c t a b s t r a c t r e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o ni so n eo ft h em o s tb a s i cs o u r c ei n f o r m a t i o ni nt h e 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 ( i t s ) ，o n l yw i t ha c c u r a t em a s t e r yo fr e a l - t i m et r a f f i c i n f o r m a t i o nf o rr o a d s ，t h ei t sf e a t u r e ss u c ha st r a f f i cg u i d a n c ec a l lb ei m p l e m e n t e da n d p l a y e d t h e r e f o r e ，t r a f f i ci n f o r m a t i o nr e a l t i m ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yi st h ec o r ea n d o n e o ft h em o s tb a s i cs k i l l so fi t st e c h n o l o g y t h j sp a p e rp r e s e n t sas e r i e so fs t u d yo f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea s p e c t st os o l v em a n yk e yp r a c t i c a lq u e s t i o n s ，i no r d e rt o d e v e l o pah i 曲p r e c i s i o n ，g o o ds t a b i l i t y , a n dw h o l l yd a yv o l u m ed e t e c t o rt om e e tt h e n e e d so f i n t e l l i g e n tt r a f f i cd e v e l o p m e n t w i t ht h eb a c k g r o u n do ft h em i c r o w a v et r a f f i cd e t e c t o r ，t h i sp a p e rf i r s tp r e s e n t st h e i t s ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v et r a f f i cd e t e c t o ri ni t s ，a n dt h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo fv a r i o u st h et r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt e c h n o l o g i e s t h eb a c k g r o u n d a n dt h em a i nt o p i c so fo u rr e s e a r c ha r ep r e s e n t e d c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n t so f v e h i c l ev o l u m ed e t e c t i o nr a d a r , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep r i n c i p l e sa n dt h ef r a m ew o r ko f v e h i c l ev o l u m ed e t e c t i o nr a d a r t h e n ，t h ed s pc i r c u i tb o a r dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ， t h es y s t e ms o f t w a r ea n dd r i v e r sa n dt h ec u s t o m e ri n t e r f a c et e r m i n a la r ed e s c r i b e d a st h ec o r ec o m p o n e n t so ft h es y s t e m ，t h ed s pb o a r di sr e s p o n s i b l ef o rt h ee n t i r e s o f t w a r ea l g o r i t h m sa n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n s t 1 1 i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h eo v e r a l l s t r u c t u r eo fd s pc i r c u i tb o a r da n dt h ec o r ec o m p o n e n t so fd s pt m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 t h e n t h i sp a p e rp r e s e n t sa dm o d u l e ，r e a l - t i m ec l o c km o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l e ，e t h e r n e t m o d u l e ，p o w e rs u p p l ya n dr e s e tm o d u l e ，e t c v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s ，t h ef u n c t i o na n d s t a b i l i t yo f t h ed s pc i r c u i tb o a r dm e e t st h en e e d so f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s n ed s pc i r c u i tb o a r dp r o v i d e sap l a t f o r mf o rt h e s y s t e m ，a n dt h e s o f t w a r e r e a l i z e st h ef u n c t i o no ft h es y s t e m t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h eo v e r a l lf r a m eo ft h e r a d a rs o f t w a r e t h e n ，t h ed r i v e r so ft h es i g n a la c q u i s i t i o n ，s p e c t r u ma n a l y s i s ，e m i f i n t e r f a c ed e s i g na r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ea c t u a la p p l i c a t i o nh a sv e r i f i e dt h er e l e v a n t c o d e s f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h et e s td a t af r o mf i e l de x p e r i m e n t sa n d e r r o ra n a l y s i s v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s ，t h es t a b i l i t ya n dt h ea c c u r a c yo ft h ev e h i c l ev o l u m e i i a b s t r a c t d e t e c t i o nr a d a rh a v em e e tt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d 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 ，d s p , t r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ， t m $ 3 2 0 v c 5 5 0 2 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：段鳢 日期：药io 年箩月7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：z o f 。年匆夕日 第一章绪论 1 1 立项目的及意义 第一章绪论 我国是一个经济持续发展的发展中国家。改革开放以来，城市化与汽车化发 展十分迅猛。改革开放前，城市化水平不足1 9 。过去1 0 年，中国的城市化进程 相当快，平均每年增长1 ，2 0 0 9 年达到4 6 。如果这个速度继续保持十年，可以 预见，到2 0 2 0 年中国的城市化水平将达到5 8 t u ；截至2 0 0 9 年底，全国机动车保 有量已超过1 8 6 亿辆，全国机动车驾驶人接近2 亿人【2 】。我国道路交通设施及管 理设施虽然有较大改观，但跟不上机动车增长速度。经济的高速发展和城市化进 程的加快，使我国的交通基础设施承受着巨大的压力。同时，低效率利用及管理 技术落后并存的现象，又加剧了交通设施短缺造成的困难。我国大中城市普遍存 在着人车混行、运输效能低下的现象。解决的办法是增加交通基础设施建设的投 入；更重要的是要采用以信息技术为主导的智能交通系统( 简称i t s ) 技术。在已 有路网的基础上，i t s 可以实现减少交通事故、提高路网通行能力和效率、降低环 境负面影响的作用；通过i t s 的有效管理和调配，可以最大限度地使用已有道路， 同时协调多种方式的运输渠道。据初步统计，i t s 技术的应用可以减少1 0 的废气 排量、2 0 的交通延时、3 0 的停车次数。 因此，在我国发展i t s 是非常必要和紧迫的。交通信息是i t s 实现的前提和 关键。获取实时的交通信息依赖于交通监控系统。交通监控系统通过对道路交通 运行状态、气象环境条件和自身设备工作状况等方面信息进行实时采集和有效处 理，及时确定出相应的控制策略，从而对交通流进行调节、警告和诱导。其中对 交通信息快速、准确地采集及有效地处理是实现动态交通控制的基础。 交通监控系统是保证行车“安全”和道路“畅通”、实现公路运行管理的重要手 段。通过系统迅速掌握交通流和交通环境等多方面信息，科学地管理交通运行； 合理制订交通控制方案并评价其效果，预防常发性拥挤的发生；检测交通事件， 对交通事故进行有效排除和救援；通过多种信息发布渠道，为用户提供信息服务， 通过驾驶员调整行驶行为，达到交通流动态平衡；通过建立道路交通数据库，对 道路运行状况评价，为改善道路经营和交通管理的决策提供数据分析。 微波雷达技术作为代表交通监测技术发展的方向，正在世界各国的交通监控 电子科技大学硕士学位论文 系统中逐步得到应用和发展。它根据发射的波形不同，可以实现诸如探测车速、 车辆的出现、车辆流量、车道占用情况、车距、车辆大小等功能，而且具有精度 高、体积小、安装维护方便，能在恶劣的气候下工作等许多优点而在i t s 的研究 和应用中发挥越来越重要的作用。随着微波雷达技术的进一步发展，它在i t s 中 的应用范围将更为广泛。 综上所述，对微波雷达在道路交通信息采集的应用与研究，可以进一步提高 我国的交通管理水平和交通信息化水平，进一步加快我国i t s 发展的步伐，对我 国的社会和经济发展有着深远的意义。 1 2 研究现状 1 2 1 智能交通系统概述 智能交通系统的前身是智能车辆道路系统( i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a ys y s t e m ， i v h s ) 智能交通系统将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电 子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而 建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和 管理系统。 智能交通系统的应用范围： 包括机场、车站客流疏导系统，城市交通智能调度系统，高速公路智能调度系统， 运营车辆调度管理系统，机动车自动控制系统等。 智能交通系统的作用： 它通过人、车、路的和谐、密切配合提高交通运输效率，缓解交通阻塞，提高路 网通过能力，较少交通事故，降低能源消耗，减轻环境污染。 智能交通系统的组成： 1 、交通信息采集系统，其中包括人工输、g p s 车载导航仪器、g p s 导航手机、 车辆通行电子信息卡、c c t v 摄像机、红外雷达检测器、线圈检测器和光学检 测仪等。 2 、信息处理分析系统，其中包括信息服务器、专家系统、g i s 应用系统和人工决 策等。 3 、信息发布系统，其中包括互联网、手机、车载终端、广播、路侧广播、电子情 报板和电话服务台等。 2 第一章绪论 1 2 2 交通信息采集技术现状 二十世纪六十年代末期，美国开始了i t s 方面的研究，之后，欧洲、日本等 也相继加入这一行列。经过近3 0 年的发展，美国、欧洲、日本成为世界i t s 研究 的三大基地。在国际上具代表性的智能交通系统，包括美国智能车辆道路系统 ( i v h s ，1 9 9 2 年) 、欧洲高效安全欧洲交通计划( p r o m e h t e u s ，1 9 8 6 年) 、欧 洲车辆安全道路结构计划( d r i v e s ，1 9 8 9 年) 、日本的道路交通信息通信系统 ( v i c s ，1 9 9 5 年) 等【1 2 】。 美国联邦高速公路管理局( f h 姒) 近年的研究结果表明：传统探测技术即 i n - r o a d w a yd e t e c t o r 由于安装维护困难，通常要中断交通等缺点而面临淘汰，但是 这项技术在美国仍是交通信息数据采集的主要手段。而非传统的探测技术即 o v e r - r o a d w a yd e t e c t o r 在安装和维护的便捷程度、成本花费、数据精度等方面都有 着传统技术所无法比拟的优势而代表了未来发展的趋势，但这类技术还未在美国 得到广泛应用。特别是在微波雷达的应用上，目前的五十个州中只有十七个州采 用了微波雷达来采集交通信息。目前，新的探测技术进展缓慢，尤其是在汽车的 分类方面。 在日本，交通信息系统是新交通管理系统中重要的组成部分，也是i t s 的关 键和基础，其目的是使道路管理者和使用者方便地获得所需的交通信息，帮助驾 驶员选择行动路线，疏散交通流量，将整个交通状况向理想的状态引导，使交通 顺畅和安全。日本发布交通信息的系统主要有两个：一个是交通控制中心( 路面 信息发布) ，另一个是v i c s 中心( 车内信息提供) 。交通信息采集多种手段相结合， 采集手段的数量和分布多而广。例如：车辆检测器，基本遍布主要街道。通过这 些手段能够把控制地区的路面交通信息实时采集到交通信息处理中心进行处理。 采集的交通信息比较全面，能够把高速道路、一般道路施工、车辆通行限制、交 通管制时间，当前的交通流量、速度、路段的堵塞程度、估算的通行时间、交通 事故以及路面湿度、干燥、结冰程度等环境情况收集上来，供不同对象使用。微 波雷达在日本的交通信息采集中发挥了重要的作用。 近几年来，i t s 在我国有了长足的发展，其中有两件标志性的事件：一是在 1 9 9 9 年，由科技部牵头，联合建设部、交通部、公安部等十多个相关部委，组织 成立了全国智能交通系统( i t s ) 协调小组，为推动交通系统的智能化发展提供了 组织机制保障；二是于2 0 0 0 年完成了中国i t s 体系框架研究和标准规范的制定。 其中标准规范的制定从一定程度上确定了系统构成、功能模块以及模块之间的通 3 电子科技大学硕士学位论文 信协议和接口，建立了能够与国际接轨的i t s 标准体系，中国i t s 体系框架也已 成为指导中国i t s 发展的纲领性文件。 科技部也制定了“十五 国家科技攻关计划“智能交通系统关键技术开发和 示范工程”。确立智能交通系统十个示范城市：北京、济南、广州、中山、深圳、 重庆、杭州、上海、天津和青岛等已开始各自城市的i t s 规划和实施方案。 交通信息服务与车载路径导航系统是现阶段我国i t s 发展的重点之一，其关 键技术为交通信息采集与处理技术、交通信息发布技术。国家发展改革委在2 0 0 4 年把交通信息采集与处理技术、交通信息发布技术作为国家重大产业技术开发项 目的关键技术。 但是，目前我国的道路交通流实时动态信息采集、处理、分析及发布系统尚 不够先进f l3 1 。从掌握的资料来看，国内对微波雷达在i t s 中的应用研究现在只侧 重于汽车防撞系统方面，而对在交通信息采集的研究所做的工作很少。其次，微 波雷达还未能在我国的交通信息采集上得到广泛应用。如在采集道路车辆的行车 速度上，经走访和调查国内一些交通管理部门发现，国内目前使用的还主要是在 路面预设两条压力感应线圈，通过车辆经过这一已知距离的时间来计算出其速度。 另外，国内的交通管理部门也在一些路段设置了雷达测速装置，以及使用微波雷 达测速仪在公路上现场人工监测车辆的行车速度，获得临时的行车速度数据。这 些设备都未能给管理部门提供实时的交通信息以供管理层迸行及时而合理的决 策，而且采用的技术多基于过去的模拟技术，设备体积较大，精度也不够高。 1 2 3 发展趋势 通过对文献 1 4 - 2 0 的分析，列举常用的几种交通信息采集技术： ( 1 ) 环形线圈检测 优点：性能稳定可靠、灵敏度高、数据准确、具有较强的发展空间。 缺点：线圈需要进行地下埋设，容易给道路造成损坏，对设计尺寸的要求也 比较高。 ( 2 ) 视频采集检测 优点：安装方便，不破坏路面，探测器设置方便、灵活；可以实现大区域交 通信息采集；能实时对多种信息进行采集，升级方便，维护成本低。 缺点：对周围环境的要求比较高。比如晚上街道的亮度以及汽车发出的灯光 对拍摄器的影响。 4 第一章绪论 ( 3 ) 微波探测器采集检测 优点：能够检测多达8 条车道的每一条车道上的交通信息，性价比高。全天 候性强，准确率高。 缺点：采集数据的种类不多，只能探测到车流量、车型、道路占用率等交通 信息。 ( 4 ) 红外线传感器检测 优点：灵敏度高，响应快。不受光线条件的影响，能在完全黑暗的情况下工作。 缺点：受周围环境影响太大，比如大气的温度和湿度。 ( 5 ) 超声波雷达检测 优点：全天候性强，对信息采集的准确率高。 缺点：探测的范围不够宽，往往一对超声波探测器只能探测一个车道。 从本人对交通信息采集传感器的调查发现，目前国内大多数城市采用的是环 形地感线圈。由于地感线圈的安装较为麻烦，且给维修带来极大的不便，从长远 的角度来看，不适合于交通信息采集技术的发展。而微波探测器不但安装方便， 而且使用寿命长，并能对周围环境( 包括刮风、雷雨等恶劣天气) 有较强的抗干 扰能力，已经越来越受交通信息采集领域研究学者的广泛关注。 1 3 研究内容及创新点 本文主要围绕基于微波的交通信息采集技术研究这个项目展开的。根据交通 信息采集系统的需要，应用嵌入式d s p 软硬件技术，研究了各种算法及硬件的实 现在微波雷达检测中的应用。整篇文章结构如下： 第一章交代了选题的目的及意义，并介绍了智能交通系统的研究现状以及交 通信息采集技术的发展趋势。 第二章从系统整体方案入手，分别阐述了微波雷达的工作原理以及整个交通 采集系统的硬件设计方案和软件设计方案。 第三章详细对整个系统硬件设计进行了展开分析，并分享了本人在制作电路 板中的一些经验。 第四章详细对整个嵌入式d s p 软件设计进行了展开分析，其中包括对交通信 息采集算法以及各个系统外设驱动的设计，最后介绍了雷达安装的方式及标准。 第五章列出项目组在实际测试中的一些数据，并进行数据分析得出结论。 第六章对全文进行了总结，指出了有待继续研究的工作。 电子科技大学硕士学位论文 本文主要工作及创新点为： ( 1 ) 通过研究现代的各种交通信息探测技术，并分析各种探测技术的优缺点， 提出用微波探测器来进行车辆的探测技术，重点研究侧向安装微波探测器 进行车道的探测，并消减行人的干扰，对微波探测器回波信号进行获取。 ( 2 ) 设计实现了基于t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 的微波雷达检测数字板。 ( 3 ) 完成了d s p c b 围芯片的的驱动设计。 ( 4 ) 研究对微波探测器回波信号的有效处理技术，分析中频信号，并通过分析 结果最终获取车型、车速、车流量等参数。 ( 5 ) 通过分析现有的信息传输渠道，确定系统和上位机之间通过预先埋设好的 网线进行通信。 ( 6 ) 研究良好人机交流界面技术，为客户端提供需要的实时交通信息，客户端 可根据软件来设定系统参数，并以文件方式保存累积的交通流量信息。 6 第二章系统设计模块及工作原理 第二章系统设计模块及工作原理 微波雷达是通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至 电磁波发射点的距离、距离变化率( 径向速度) 、方位、高度等信息。微波雷达不 仅是军事上必不可少的电子设备，而且广泛应用于社会经济发展( 如气象预报、 资源探测、环境监测等) 和科学研究( 天体研究、大气物理、电离层结构研究等) 。 本文所用的微波雷达是用来探测车目标，并进行交通信息采集，其中包括车流量、 车速、车型等。通常有侧向安装和正向安装雷达两种，在本文设计中采用的是侧 向安装的方式。 2 1 系统指标 基于微波的交通信息采集系统的主要性能指标如下： ( 1 ) 探测器类型：微波探测； ( 2 ) 探测频率：1 0 5 g ； ( 3 ) 探测交通参数：车流量、车型、车速、车道占有率； ( 4 ) 要求微波带宽：2 0 0 m ； ( 5 ) d s p 工作频率：2 0 0 m ； ( 6 ) a d 采样率： 5 0 0 k h z ； ( 7 ) 工作电源：交流2 2 0 v 士1 0 ( 采用开关电源) ； ( 8 ) 要求探测车流量精度：9 5 ； ( 9 ) 通信方式：网口通信进行人机交流。 2 2 微波雷达检测工作原理 本文所用到的微波检测雷达又称调频微波测距传感器，采用1 0 5 g 的调制载 波，调制信号用三角波进行周期调制。发射信号随调制三角波作- 4 - 1 0 0 m h z 变化( 即 微波雷达带宽为2 0 0 m ) 。测距原理为发射后电波频率，即为离开天线时频率，该 频率在遇到前方物体反射后回到天线时和现天线上的信号频率发生混频得出混频 信号。发射天线和反射物距离越远混频后的回波信号频率越高，反之越低。混频 7 电子科技大学硕士学位论文 后输出频率范围在1 1 0 0 k h z ，接收混频信号经预放检波后送d s p 信号处理单元 计算和判别出目标距离，并根据汽车行驶过雷达照射区域的时间和波形的变化以 及信号处理机内部定时器记录的数值计算出车流量、车速、车道占有率、车型等， 并将数据通过现有的通信网络进行实时传输到客户终端显示。在实际探测中，微 波雷达探测器安装在欲探测车道附近的路灯杆上，高度范围在4 m 8 m 。微波雷达 俯向下对各车道发射连续的调频波，并经过各车道反射回来，与发射信号相混合 而产生具有一定频率差的中频信号。由于各个车道相对微波雷达的距离不同，产 生的中频信号的中心频率也不同。雷达根据不同车道在相邻时刻产生的中频信号 的频谱差来判断是否有车经过，进而分析车流量、车速、车型等信息，具体如下 分析。 微波雷达通过天线向外发射一系列连续调频波，并接收目标的反射信号。发射 波的频率随时间按调制电压的规律变化。一般调制信号为三角波信号，发射信号 与接收信号的频率变化如图2 1 所示【2 。 一- t 一；础r 1 一 发射信号接收信号 图2 - 1 微波雷达调制信号示意图 从目标反射回来的回波频率和发射频率的变化规律相同，发射频率和回波频率 之差可以表征探测目标与雷达之间的距离。如图2 1 所示，对于一定距离r 的目标 回波，除去在t 轴上很小一部分2 r c 以外( 这里差频急剧下降为o ) ，其它时间差频 是不变的。由此可以得出目标距离r 为 r ：a t x c ：一c j 二一厂 ( 2 1 ) 第二章系统设计模块及工作原理 式( 2 一1 ) 中，r 为目标离雷达的距离；c 为光速；t 为三角波调制信号的周期； a f 为v c o 调制带宽；f 为混频器输出的中频信号频率。从式( 2 1 ) 可以看出， 目标离雷达的距离与中频信号频率成正比。由于不同车道的目标与雷达距离不同， 对应的中频频率范围不同，而且车辆经过雷达检测区域需要一定时间，因此通过 分析中频信号的功率谱随时间的变化情况，便可对车流量、车速、车道占有率、 车型等参数进行统计。 2 3 系统硬件设计总体方案 系统硬件主要包括：微波探测器、微波中频信号、a d 电路、d s p 处理器、复 位和看门狗电路、数据存储模块、网络接口、实时时钟电路、j t a g 电路( 与仿真 器相连) 、系统时钟和电源电路等几部分组成，各模块之间的连接( 虚线框里属于 软件部分) 如图2 2 所示。 。，- - 图2 2 硬件系统框架 各模块功能如下： ( 1 ) 微波探测模块：微波探测模块包括微波探测前端和中频处理电路，所选用的 微波探测器发射出1 0 5 g 的调制三角雷达波，经过目标反射回来，混频过后形成 中频信号。 ( 2 ) a d c 模块：选用t i 公司的t h s l 2 0 6 ，由于数字信号处理机输入的模拟信号来 自于中频处理单元，幅度保持在1 5 v 3 v 之间，满足a d c 芯片对输入信号电平范围 9 电子科技大学硕士学位论文 的要求，因此直接把中频信号输入到a d 芯片进行采样。a d c 模块实现中频信号数 字化，a d 芯片是1 2 位。 ( 3 ) 数据f l a s h ：选用s s t 公司的s s t 3 9 v f 8 0 0 a ，系统运行需要用户提供车道数、 门限值、频点、保存时间间隔等用户信息，这些信息保存到数据f l a s h 里面，系统 还定期将交通流量信息保存到数据f l a s h 。 ( 4 ) 程序f l a s h ：选用s s t 公司的s s t 3 9 v f 8 0 0 a ，系统需要脱机运行，因此把 程序烧进f l a s h ，再通过引导方式把程序下载至0 d s p 的r a m 中运行。 ( 5 ) r t c ( 实时时钟) 芯片：选用p h i l l i p s 公司的p c f 8 5 6 3 ，本项目选用的p c f 8 5 6 3 来外扩实时时钟，芯片采用的封装为s o 8 ，工作温度范围为- 4 0 到+ 8 5 。采用 3 3 v 供电，并且外接电池，以保证断电时该芯片仍然可以正常工作。晶体振荡器 采用的是实时时钟晶体振荡器3 2 7 6 8 k h z 。设计了中断输出中断，在一周内可以 为系统提供一次定时中断。 ( 6 ) d s p 处理芯片：基于价格和性能以及系统的需求来考虑，采用t i 公司生产的 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 芯片，主频为3 0 0 m ，实际应用的时候只设置为2 0 0 m 。主芯片把 a d 芯片采集过后的数据进行算法处理，统计出实时交通信息并进行网络传输。 ( 7 ) 网络传输模块：网络传输模块由c s 8 9 0 0 a 芯片和隔离变压器组成，负责把数 据通过网络传输到客户p c 终端。 ( 8 ) 电源供电芯片：板上所需的电源分别有1 2 v 、5 v 、3 3 v 、1 2 6 v 四种电源， 其中1 2 v 电压由稳压器来提供，先由l m 2 5 9 6 把1 2 v 电压转为5 v 电压，再由t i 公 司的t p s 7 3 h d 3 0 1 把5 v 电压分别转换为3 3 v 和1 2 6 v 电压。微波探测需要的是1 2 v 电压，另外3 3 v 是供a d 芯片、t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 芯片外核、s s t 3 9 v f 8 0 0 a 芯片、 c s 8 9 0 0 a 芯片、r t c 芯片使用的，另外a d 芯片需要5 v 电压，而t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 芯片内核需要1 2 6 v 电压。 2 4 系统软件设计总体方案 系统软件主要包括d s p 处理算法、芯片驱动以及客户端软件界面的实现三部 分。本系统芯片驱动具体包括e m i f 接口设计，数据、程序f l a s h 驱动、r t c 驱动、 a d 芯片驱动、网卡驱动等。本系统所采样的主要算法包括以下： ( 1 ) 数字带通滤波。因为本项目探测的目标只在2 0 m 内，2 0 m ； b 的频率在2 0 k h z 以上，人为干扰的频率在5 0 0 h z 以下，因此带通频率在5 0 0 h z - 2 0 k h z 以内，分别滤 掉人为干扰和2 0 m ； b 的信号。a d 采样后的数据输入至u d s p 后就进行数字带通滤波。 1 0 第二章系统设计模块及工作原理 ( 2 ) f f t 变换。数字带通滤波后得到一个平滑的中频信号，便进行信号的频域变 换去分析。经过f f t 变换后便进行频域相干，当有目标通过的时候，频域绝对差曲 线便出现凸起的曲线，再用阈值法判断是否有车通过，以及车所在车道，并计算 车速等。 ( 3 ) 客户端软件界面。本项目用d e l p h i 编程来实现客户端软件界面，实时显示某 个路段的交通信息，包括车流量、车速、车型等等。并且统计每天的交通信息以 及累计月年的数据，储存到数据库里，以供用户查询。 2 5 本章小结 本章首先对整个基于微波的交通信息采集系统所要达到的指标做了说明，本 系统指标是根据项目要求确定；接下来详细阐述了微波雷达检测的工作原理，特 别对车流量检测原理进行了讲述；最后从硬件和软件两个方面简单介绍了方案的 设计，包括对各个模块功能进行了说明。 电子科技大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 3 1d s p 和t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 基本系统 3 1 1d s p 概述 平常我们所说的d s p 实际上有两种说法，一种是数字信号处理技术( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s ) ，另一种是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 2 2 】。本文所 提至u d s p 主要是指数字信号处理器。 d s p 是一种专门为实时、快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊 结构的微处理器。它与平时我们通用的c p u 以及m c u 等处理器是不同的，是专门 为完成实时数字信号处理任务而设计，并普遍应用在便携式产品中。d s p 的主要特 点如下： ( 1 ) 经典的哈佛结构 通用的计算机和单片机的结构大体分为两类，一类是冯诺依曼结构，另一类 是哈佛结构。d s p 芯片采用的是哈佛结构，即程序空间和数据空间是分开的，并允 许同时取指令和取操作数。 ( 2 ) 流水线操作 在d s p 中，采用流水线操作，即是程序运行中的取值、译码、取数、执行的循 环操作。特别是采用哈佛结构后，使流水线操作更为方便。 ( 3 ) 周期性的乘一加单元 d s p 的一个指令周期是一次乘与一次加，这是d s p 不同于通用c p u 和m c u 的最 大区别。在数字信号处理算法中，乘法和加法运算时基本、大量的运算。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令 和周期性乘- 力单元一样，特殊的d s p 指令也是专门为数字信号处理算法服务 而应用于d s p 程序设计中。 ( 5 ) 指令周期短 早期的d s p 指令周期约为4 0 0 n s ，其运行速度为5 m i p s ( 虽f 每秒执行5 百万条指 令) ，t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 的运行速度可达2 0 0 m i p s ，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 的运行速度达到 2 4 0 0 m i p s 。现在最先进的d a v i n c i 芯片可达g 级以上的运行速度。 1 2 第三章系统硬件设计 ( 6 ) 独立的直接存储器访问 与通用c p u 不同的，d s p 处理器都为直接存储器访问( d m a ) 单独设置了完 全独立的总线和控制器。 世界上第一个单片d s p 芯片是1 9 7 8 年的a m i 公司宣布的$ 2 8 11 ，1 9 7 9 年美国 i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内 部都没有现代d s p 芯片所必须的单周期芯片。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推嘶p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。第一个采用c m o s - v 艺生产浮点d s p 芯片的 是日本的h i m c h i 公司，它于1 9 8 0 年推出了浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年，日本的f u j i t s u 公 司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令周期为1 2 0 n s ，且具有双内部总线，从而处理的吞吐量 发生了一个大的飞跃。而第一高性能的浮点d s p 芯片应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出 的d s p 3 2 。 在这么多的d s p 芯片种类中，最成功的当属美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司 的一系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出启迪一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产 品t m s 3 2 0 11 、t m s 3 2 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出了第二代d s p 芯片 t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ；第三代d s p 芯片t m s 3 2 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ；第四代 d s p 芯片t m s 3 2 c 4 0 c 4 4 ；第五代d s p 芯片t m s 3 2 c 5 0 c 5 l c 5 2 c 5 3 和t m s 3 2 c 5 0 0 0 系列，以及集多个d s p 于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 c 8 0 c 8 2 5 口o m a p ，还有目 前方兴未艾的d a v i n c i 系列芯片等瞄】。 基于实现本系统功能，以及d s p 芯片的性能和价格上的考虑，本文选用的d s p 芯片型号为t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 5 0 2 。 3 1 2t m s 3 2 0 c 5 5 0 2 介绍 t m s 3 2 0 c 5 5 x 是t i 公司推出的继c 5 0 0 0 系列的c 5 x 、c 5 4 x 后的新型产品，其中， c 5 5 x 和c 5 4 x 源代码兼容，而c 5 x 和c 2 x 源代码兼容。c 5 5 x 将低功耗提到一个新水平： 3 0 0 m h z 的c 5 5 x 和1 2 0 m h z 的c 5 4 x 相比，性能提高5 倍，而功耗则降到1 6 ，c 5 5 x 的 内核电压降到了1 v ，而功耗降到0 0 5 m w m i p s 。c 5 5 xd s p 的最成功之处在于它的 节能技术。c 5 5 x 的不同部分仅当需要时耗电。随着t m s 3 2 0 c 5 5 x 的推出和应用开发 的逐步深入，其优良的性能将在许多个人便携产品中体现，尤其在实时性和低功 耗得到充分的体现时，c 5 5 x 正在成为通信和个人消费领域的主流d s p 产品。 基于本系统开发的实际要求，本文选用t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 这款低功耗高性能 d s p ，采用1 2 6 v 的核心电压以及3 3 v 的外围接口电压，最高可达3 0 0 m h z 的指令频 电子科技大学硕士学位论文 率，片内具有双乘累加单元，每周期可执行一条指令或两条并行指令，所以具有 高达6 0 0 m i p s 的处理能力【2 2 1 。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 的主要特点为： ( 1 ) 高性能，低功耗，定点运算 ( 2 ) 1 6 kb y t e s 指令缓存 ( 3 ) 3 2 k x1 6 b i t 的片上r a m 和1 6 k 1 6 b i t 的单片片上r o m ( 4 ) 8 m 1 6 位的最大外部寻址内存空间 ( 5 ) 3 2 b i t 夕 部存储器的并行总线 ( 6 ) 仿真调试跟踪功能 ( 7 ) 六种设备功能域的可编程低功耗控制 ( 8 ) 多种片上外设，包括d m a 、m c b s p s 、a p l l 、g p i o 、x f 、h p i 、1 2 c 、t i m e r 和u a r t ( 9 ) 基于仿真逻辑的片上扫描 ( 1 0 ) j t a g 接口，用于实时仿真 ( 1 1 ) 1 7 6 引脚的l q f p 和2 0 1 引脚的b g a 封装 ( 1 2 ) 双电源供电，包括1 2 6 v 的内核和3 3 v 的外核 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 的内部总线结构图如图3 1 所示【2 3 】： 图3 - 1t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 的内部总线结构 3 1 3t m s 3 2 0 c 5 5 0 2 片上外设及应用 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 内部集成了许多外围设备，以便于控制与片外的存储器、协 1 4 第三章系统硬件设计 处理器、主机及串行设备的通信。 图3 - 2t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 功能框图 其功能框图如图3 2 所示，下面对t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 的主要外设介绍并详细说明 本系统中所用到的一些外设功能。 p l l 时钟发生电路 c 5 5 x 系列芯片都有一个片上时钟发生器，它可以利用数字锁相环( d p l l ) 分 频或者倍频输入时钟频率( 从c l k i n 引脚接收) ，然后分别送到c p u 、外设和c 5 5 x d s p 内的其他模块，如图3 3 所示，c l k o u t 的频率由系统寄存器( s y s r ) 中的 c l k d i v 确定，即c l k o u t 频率= c p u 时钟频率( c l k d i v + i ) 。