汽车智能防撞系统的设计

1、中北大学2012届毕业设计说明书1绪论1. 1课題的背景与研究意义随着当前我国经济实力的提高，汽车工业的发展取得举世胭目的成就，中国己 然成为汽车生产消费大国。汽车的安全驾驶越发引起消费者的注意。在面前提倡信 息化、智能化生活的大前提下，对汽车自动控制系统的应用也越发广泛。随着汽午 工业的不断进步,行驶在道路的车辆越來越多，而现代生沾节奏的加快，交通事故发 生的频率也不断增加卩。为提髙汽车运行的安全性和降低碰撞发生的可能,可以分 为两个主耍研尢方向:一是主动式安全技术，即防1上事故的发生，该种方式是目前 汽车安全研究的最终目的;二是被动式安全技术，即事故发生后的乘员保护。在过去20-30年中，

2、人们主耍把精力集中于汽车的被动安全性方而，例如， 在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关 部位安装冬种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带來的危害。安装防 撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本午造成损坏，却无法消除对被撞物体的 伤害：此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘 务员的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽午在行驶中发生碰撞造 成的问题。从经济性和安全性两方而來说，这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和 人员进行保护，有很大的局限性，因而车辆的主动安全研究尤为重要，智能交通系 统类产品的设计和研究开发具

3、有极大的实现意义和广阔的应用前景。在汽车高速行 驶时，保持合理的车距可以有效降低交通事故的发生几率2口。本文主要研究以单 片机为核心结合毫米波测跖的汽乍防撞系统：通过单片机控制，保持合理乍距，从 而防止交通事故发生。1. 2国内外的研究现状1.2.1国外研究现状利用信息感知、动态辨识、控制技术与方法提高的主动安全性，是先进汽午控 制与安全系统(AVCSS)的主要研究内容。世界各大汽车公司、大学在政府的支持 下，都在开展这方面的研究与开发工作。日本各大汽车制造企业如丰田、日产、 马、本HI、三菱等公司，为实现其运输省提出的发展“先进的安全汽车(ASV)计划'第1页共58页中北大学2012

4、届毕业设计说明书中北大学2012届毕业设计说明书 致力丁新型安全汽车技术研究开发，并取得了重要的进展。丰田汽车公司使用毫米 波雷达和CCD摄像机对本车的距离进行动态监测，当两车距离小于规定值时，系统 将发出直观报警信号提醒本车驾驶员。H产汽车公司使用紧急制动劝告系统，利用 先进的车距监测系统对跟车距离进行动态监测，当需要减速或制动时，用制动灯亮 來提醒驾驶员，并及时监测驾驶员操纵驾驶踏板的踏踩状态，必要时使汽午的自动 制动系统前起作用降低车速，在最危险时刻口动制动。本田公司使用具有扇形激光 束扫描的雷达传感器，即使午辆在弯道行使也能检测到本车与前方汽车或障碍物的 距离降到规定值时，驾驶员仍未及

5、时采取和应措施，便发出警告信号。三菱和H立 公司在毫米波雷达防撞方面也做了大量的研究，其雷达屮心频率主喪选择60飞1GHz 或7677GHz,探测距离为120米，尼桑公司为41LV-Z配备了自适应巡航控制系 统，该系统利用毫米波雷达作为探测器，为巡航驾驶提供了判断依据山。徳国和法国等欧洲国家也对毫米波雷达技术进行了研究，特别是奔驰、宝马等 著名汽车生产厂商，其采用的雷达为调频毫米波雷达(Frequency Modulation Continuous Wave),频段选择677GHzo如奔驰汽乍公司和英国劳伦斯电子公 司联合研制的汽车防撞报警系统，探测距离为150米，当测得的实际千间距离小丁 安

6、全车间茨离时，发出声光报警信号。该系统己经得到应用。美国的汽车防碰撞技术己经相当先进，福特汽车公司开发的汽午防碰撞系统的 工作频率为24. 725 GHz,探测距离约106米。据说该系统理论上能根据转弯的角 度信息自动适应路面的转弯情况，仅探测本午道内车辆的信息，从而可避免旁千道 上目标物的影响。戴姆勒-克莱斯勒公司的防撞结构主要是两个测距仪和一个影像 系统，她能够测出安全距离，发现前方有障碍物，计算机能够白动引发制动装置， 戴姆勒-克莱斯勒公司的实验结果显示，车速以每小时32. 18公里/小时的速度行 驶，在距离障碍物2.54cm的地方停下來。1.2.2国内研究现状我国汽车防碰撞系统的研究开

7、发同国外发达国家相比，存在较大差距，近几年 相继有一些科研院所、大专院校和公司厂家进行此方面的研究。近距离报警如倒车 雷达现己蓬勃地车辆上安装使用，但国内目前生产的中远跖离测最普遍达不到要 求，衣现在最远测距距离近，测距误差大，远远不满足高速公路的女全车距离要求, 需进一步研究卩叽第3页共58页中北大学2012届毕业设计说明书13汽车安全系统的发展传统上，车辆的安全系统分为主动安全和被动安全两个系统。简单來说，主动 安全的职资是有效支持驾驶者在行驶中的操作，最大限度地防止事故发生。底盘、 转向、防抱死装置(ABS)、车辆稳定性控制(Vehicle Stability Control)都属于主

8、动安全系统。而被动安全系统(也称乘员安全系统)在事故发生时最大限度降低对 人员的伤害。安全带、安全气囊、各种安全电子装置即具有这样的防护作用。目前，主动与被动安全系统的集成是一股势不可挡的趋势。复杂的整合技术将 近距离雷达、远程雷达、影像传感、转向及翻滚角度传感、稳定控制电子传感等诸 多技术结合在一起，对驾驶环境实施全面监控，集中比较、分析多方而的数据，在 必要时启动最适当的下一级系统，自动地或辅助驾驶者采取正确的防护措施。集成 的主、被动系统能实现更强的安全性能，最大程度地保护车辆、乘员乃至行人的安 全，其价值远远超过了各白独立、互不相干的防护系统“役事实上，主、被动安全系统的技术整合和运用

9、早己开始。以预警安全系统为例, 在发生意外时，在刹车片上施加足够的压力能启动制动辅助(Brake Assist)系 统或车身稳定控制(VSC)系统。感知汽午严重打滑，预警安全系统则会自动激活 电控的座椅安全带预张紧器(即TRW主动控制牵引器，ACR),随Z把前座椅移至最 佳的安全位置。在前座椅置丁安全气囊保护的最佳距离的同时，ACR0动收紧座 椅安全带以加强乘员保护。该阶段的技术幣合所采用的制动辅助系统，在潜在碰 撞发生前启动安全防护措施。TRW的ACR技术也具可逆转性，如果实际碰撞并未发 生，ACR在几秒钟内会调整至初始状态际叭 相比之下，其它碰撞驱动型座椅安全 带预张紧器装置在启动后无法自

10、动回复初始状态，必须重新装置。预警驾驶辅助在集成化的第二阶段，安全技术发展到具有一定的先知先觉能 力。这样的系统能无须驾驶员的操作自动运行，监控驾驶环境。预警技术一般建 立在传感技术(如雷达、实时摄像)基础之上，传感装置随时监控相关驾驶环境。 TRW直努力研发一系列基于雷达技术的传感系统，如门适性巡航控制(Adaptive Cruise Control)该系统己被应用徳国大众的一部分欧洲和北美的车型上。 这些通常也被称为驾驶辅助系统。早期，驾驶辅助主耍提供驾驶便利，而在今后将 逐步发展成为主动安全技术中不可或缺的部分。以车道引导(Lane Guide )系统为例，当系统感知车辆在车道上蜿蜒蛇行

11、或偏第5页共58页中北大学2012届毕业设计说明书中北大学2012届毕业设计说明书 离道路时，会为驾驶者提供相应的矫正辅助。包扌舌ACR在内的各种保护装置相应 启动，一是警示驾驶者：二是确保驾驶者处于安全气囊保护的最理想位置：同时电 子转向系统提供触觉传感反馈，引导驾驶者回到正确的车道上。智能化反馈好的预警系统是"善解人意"的。它能为驾驶者提供适当类型及程度 的反馈，既提高安全性又不分散注意力、妨碍驾驶。TRW设计的安全装置一般情况 下是在不知不觉屮为驾驶者提供保护的；而只有比较严重的情况发生时，如车辆偏 离车道或驶离道路时，音频、视频等明显的反馈装置才会发挥作用。将來，结

12、合智能化传输系统，主动和被动安全系统都将与车辆外部环境保持更 紧密的联系。全球左位系统(Global Posit ioning System)和智能化道路都屈丁 智能化传输系统。以智能化道路为例，这种系统利用传感器和卫星数据追踪汽车 位置，并在潜在意外发生前一如临近交叉路口时及时提醒驾驶者注意路况全方位保护、髙盛集成的安全系统除了有效控制车辆、保护乘员，还兼顾车辆 外部人员。在欧洲和H本，政府非常重视保护行人免受严重或致命伤害的立法。TRW 行人保护系统能有效降低人车相撞的机率，或在碰撞在所难免时保护驾驶者和行人 的安全。首先，基于雷达或摄像的感知系统能察觉道路上肉眼不易察觉的物体，比 如突然

13、出现的行人。在感知系统及时提醒驾驶者的同时，制动助力系统、电子液床 制动等系统同时起动，口动降低车速，从而防止碰撞发生或降低碰撞严重性。如 果人车相撞不幸发生，TRW研发的行人安全气囊会从发动机罩下瞬间充气展开，减 小车辆碰撞人体的力度。兼备在传感器、驾驶辅助、制动、转向、防滑、乘员安全等各领域的技术专长, 才真正有条件整合主、被动安全技术、全直提高未來汽车的舒适性和安全性。作为 汽车行业内众多的安全产品研发者和供应商，多个大型汽车集团正在以开发先进传 感技术为基础，走向驱动汽车安全集成化的进程。第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书2汽车智能防撞系统硬件设计2. 1系统设计思想及简介

14、在高速公路上行驶的午辆速度快，在能见度很低的天气或驾驶疲劳的情况下， 将影响驾驶员对目标的识别。采用汽车雷达检测前方障碍物的相对距离和速度，提 前预警，可有效降低交通事故的发生。因此，一种响应快、可靠性高且较为经济的 汽车智能防撞系统十分必要，而该系统的核心在于快速、准确地测星出汽乍与障碍 物间的距离及相对速度，为驾驶人员提供准确的判断信息，避免汽车追尾碰撞。本文介绍的汽车智能防撞系统是关于汽车安全系统的主动安全方面，利用安装 在汽车前保险杠上的雷达传感器测量口车与前方目标物间的距离和相对速度，再 由主控单元对采集的车辆实时信息进行分析并判断当前的行不安全状态，采取相应 的报警方式并采取制动措

15、施或使驾驶员提前采取相应的措施，提高驾驶安全性。系 统硬件原理图如下：图21系统硬件原理框图2. 2系统的测距、测速部分 2.2.1测距测速系统现状20世纪90年代以來，智能交通系统在全世界范围内得到了前所未有的发展， 其广泛应用也越來越受到各方面的关注。汽车智能防撞技术关键在于智能实时的测 出汽车Z间的距离。当汽车Z间的距离小于设定的安全距离时，防撞系统就应该自 动报警并采収制动措施。以高准确度和最低的错误报警概率监视汽午前方的交通区 域，因此相应提出了很多方案，诸如超声波、微波、激光、红外、GPS、摄像系统 测距等技术，这几种测距方式各有其特点心。(1) 超声波测距超声波是指谐振频率在20

16、KHZ以上的机械波。超声波发射器不断发射超声波信 号，遇到障碍物（汽车）后反射回來，超声波接收器接收到信号，测出与发射信号 的时间差，因为超声波的速度是己知的，所以距离就很容易求出。超声波测距的方 法很多，如相位检测法，声波幅值检测法和渡越时间检测法等IM0'1M51»渡越时间检测法，即测距时超声波发射器不断发射超声波，遇到障碍物（即被 检测对象）后反射回来，通过超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电 信号，测出从发射超声波至接收到反射波的时间差（渡越时间,t）ot与超声波传播 速度c相乘可求出被测距离s,即：s = ct /2o超声波特点是对雨、雾、雪的穿透能力强，传

17、输过程能疑哀减较小，反射能力 较强。因此汽车声纳雷达能够在雨、雾、雪等恶劣天气条件下工作。超吏波测距原 理简单，制作方便，成本低。其缺点是： 超声波速度受外界风速和温度的彫响较大； 超声波能量与距离的平方成正比衰减，距离越远，衰减越严重，反対回的 声波越少，灵敏度下降快，只适合于测低速较短的距离如果午速太快或者距离太 远，测量误差很大。因此，作为高速行驶车辆上的测距传感仪器不可取，日本研制成功了样机，但 没有投入使用。（2）激光测距目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激 光雷达。非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是:从高 功率窄脉冲激光器发出的

18、激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜 左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物 镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内光电二极管，利用计数器计数激光二极管 启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系 统屮的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。成像式激光雷达乂可分 为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描成像激光雷达把激光雷达同二维 光学扫描镜结合起來，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点 打描测量，即可获得视场内目标的二维信息。非打描成像式激光雷达将光源发出的 经过强发调制的激光经分束器系

19、统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。 由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成像速度。 激光测距是一种光学雷达系统，它具有测屋时间短，量程人，测距精度很髙，车道 分辨率高等优点w叭利用激光雷达测距技术，可以制成防止追尾撞午的装置， 缺点是：由于光波束很窄；扫描速度比较慢，必须采取特殊的技术措施，才能覆盖 车道，另外受各种光源、天气的影响比较大。（3）微波雷达测距雷达是利用目标对电磁波的反射來发现目标并测定其位置的。工作频率从3MHZ 到30GHZ的范围内。微波雷达是利用发射的电磁波信号，当遇到前方障碍物（汽车） 后反射回來，接收装貿收到回波信号，测得发射信号与接收信

20、号之间的时间差，微 处理器可以计算出两车Z间距离。微波汽车防撞雷达，各国己经有成熟技术，如徳 国不伦瑞克工业大学研制了样机己试验成功，但推广起來存在一些问题，如波束较 宽，易受干扰、造价也偏高，如果目标车的材料不是金属、反射信号会很弱，给测距 带來困难际°小创。毫米波雷达测距的优点有： 检测障碍物时对环境的变化有很强的稳定性，与光学式相比，它不易受对象 表面形状和颜色影响； 是环境适应性能好，受雨、雪、雾、污秽、阳光的干扰小，探测性能下降小。（4）红外测距红外测距的工作原理也与上述测距方案相似：红外线在它的传播路径上遇到物 体就反射回來，测最从发射时刻到反射光返回到发射点所经过的时间

21、，便可计算出 物体的距离。红外线发射器不断发射出红外线，经前方汽车反射，红外线接收器接收到反射 波信号，并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差T,即可求出 距离：S二0.5cT式中c为光速度，一般取3X10e8m/so其基本原理是：红外线发 射器始终处于发射红外线的状态，当红外接收器第一次接收到前方汽车反射回的红 外线时，经电路处理单片机给出一个计数启动信号，计算机的计数器开始以一定频 率计数：当红外线接收器第二次接收到反射回的红外线时，经电路处理单片机给出 一个停止计数脉冲，计数器停止计数。通过编程，计算机自动处理，用脉冲的周期 t乘以脉冲数n就得到发射红外线到接收红外线的时问

22、差T,即：将其代入 上式就得测量距离S,同样该方案也存在缺点，比如受温度的影响比较大，对雾的 穿透性不强等呻",如叫（5）摄像系统测距摄像系统指电荷藕合器件CCD常用摄像系统。CCD摄像机是一种用來模拟人眼 的光电探测器，具有尺寸小，质最轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计最准确 等特点。优点是采用双目摄像系统模拟人体视觉原理，测量精喪高也幼。缺点是需 耍高速的处理芯片，图象处理算法复杂，成像速度慢，目前价格高，同时受到软件 和硬件的限制。且在环境比较恶劣的条件下（如大雾、大雨等），视觉传感器会失效。综合以上优缺点，考虑性能价格比，本系统采用毫米波雷达测距技术作为关键 技术。2. 2

23、.2毫米波雷达原理多普勒效应是抬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1842年发 现的。1930年左右开始将这一规律运用到电磁波范围。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，而且反弹回來 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，此时所反弹回來的无线电波会被用缩，因此 该电波的频率也会随Z增加。反Z,若远离波源运动时，接收到的频率较波源的实 际频率降低124,

24、251 o频率升高或降低的数值为多普勒频率，由式（2.1）决定：2 vf尸弋人（2.1）式中：力多普勒频率匕目标的运动速度C光速z发射波频率由式（2. 1）我们可以得到：第9页共58页中北大学2012届毕业设计说明书从式（2.2）可以看到其它变量都是己知的，只要我们测出了力，就可以计算出被 测乍辆的速度。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屮 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因难。脉冲式雷达一般应用在军事等领域。对丁我 们这种只需耍速度、距离信息的应用，可以使用连续波雷达。连续波雷达的结构简 单

25、、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。下面我们來分析一下连续波雷达的情况。雷达系统通过天线向外发射一系列连续调频毫米波，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2.2所示。反射波与发射波的形状相同，只是在时间上有一个延迟出，与目标距离尺的关系可表示为:式中C为光速。发射信号与反射信号的频率差即为泯频输出的屮频信号频率IF,如图2.2根据三角关系有:(2.4)其中，T为调制三角波周期，为调频带宽。由（23人（2.4）式可得目标距离R：(2.5)也就是说，目标距离

26、与前端输出的屮频频率成正比西。如果反射信号來自一个相对运动的目标，则反射信号中包括一个由目标的相对 运动所引起的多谱勒频移力（如图2.3）o在三角波的上升沿和下降沿输出中频频图2 3 FMCW雷达测速原理第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书率可分别表示为卩叭(2.6)fIF7(2.7)其中，IF目标相对静止时的中频频率，力为多谱勒频移，其符号与目标相对运动的方向有关。由（2.6） （2.7）可得：(2.8)根据多谱勒原理，目标的相对运动速度v：护讥）(2.9)= -(Z-Z+)其中&为发射波屮心频率，a为发射波波长。速度V的符号与

27、目标相对运动方向的关系为，目标靠近时V为正值，反Zv为负四。由公式(2.5)和(2.9)就可以计算出目标距离和目标相对运动速度。2.2.3毫米波雷达射频收发前端硬件结构卩“即雷达系统如图2.4所示，射频收发前端是雷达系统的核心模块。国内外 已经对收发前端模块进行了大量深入研究，并取得了长足的进展。己经研制出多种结构的前端，主要包括波 导结构前湍，微带结构前端以及单片集成前端。目前，国内研制的射频前端主耍采线性调制中频输出接受天线LNAMIXER图2.4双人线FMCW射频前端前端是雷达系统的射频部分，负责信号调制、射频信号的发射与接收以及接收 信号解调。FMCW雷达是通过接收回波信号，并与本振信

28、号进行差频，根据输出中 频信号來探测目标的距离和速度的。雷达的发射波是被调制的射频信号，由VC0在 调制信号的作用下产生。一般，在FMCW雷达中调制信号为三角波或锯齿波信号， VC0输出信号的频率随调制信号的幅度线性变化。VC0输出的信号一部分经功率放 大器后由天线发射出去(或直接发射岀去)，一部分经定向耦合器至混频器作为混频 器的本振信号。发射信号在前进过程中如果遇到目标则部分被反射，反射信号被接 收天线接收，首先经低噪声放大器放大(或直接进入混频器)，然后与本振信号进行 混频，并经带通滤波器输出屮频信号。后继的信号处理电路即可从中频信号中提取 出目标的距离和速度等信息。前端主要包括VC0、

29、混频器、定向耦合器等部件。VC0是前端的核心部件，用 來产生调频波；定向耦合器把VC0输出的部分功率耦合至泯频器的输入端作为混频 器的本振信号：混频器完成回波信号与本振信号的差频，从而输出中频信号；带通 滤波器用以滤除从混频器输出的不必要的谐波分览。FMCW前端的主要性能指标取第13页共58页中北大学2012届毕业设计说明书决丁组成前端的各功能部件的性能。射频前端电路见附录二。2. 2.4毫米波雷达收发前端硬件设计频率源性能的好坏直接影响整个系统的工作情况，频率源的示意图如图2. 6所 示，控制电路控制锁相环输出频率的范围和周期，锁相环控制VC0的和位噪声，由 于VC0和锁相环的频率都比较低，

30、通常在后端要接倍频器把频率提高到我们需要的 频率。其中VC0要考虑调频范圉，相位噪声和消耗的功率，锁相环要考虑控制频率 的范围，锁定时间和输出的相位噪声，倍频器耍考虑倍频损耗和消耗的功率。采用 24GHZ的雷达可用中心频率6GHz的VC0,带宽为0.5GHz,并且和锁相环级连调试, 一倍频器可以采用无源倍频.也可以采用有源倍频.需耍根据VCO的输出功率來决 定。能够实现两个电信号相位同步的口动控制系统叫做锁相环路，简称锁相环。锁 相环是一个相位负反馈控制系统，其功能是使输出信号的瞬时相位跟踪输入信号的 瞬时相位的变化，从而实现相位的自动锁定。锁相环（PLL）包括3个必不可少的单 元电路：鉴相器

31、（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO） o鉴相器把周期性输入 信号的相位与VC0信号的相位进行比较，PD的输出信号是这两个输入信号Z间相 位误差的度量。Z后，该误差电床由环路滤波器进行滤波，而环路滤波器的输出被 用作控制电压送入VC0。控制电压改变VC0的频率，以减小输入信号与VC0Z间的 和位误差。图2. 5基本锁相环当环路锁定时，控制电斥把VC0频率的平均值调整到与输入信号频率的平均值 完全一样。对丁输入信号的一个周期，振荡器仅输岀一个周期。锁相并非意味着零 相位误差；恒定的相位误差和起伏的相位误差都可能存在于锁相环中，过大的相位 误差会导致失锁。锁相环电路如图2. 6：中北大

32、学2012届毕业设计说明书卜1W(rLrDGNDRIF*CEAVDDCLKRFJDATARTmBLEACXDMUXOUTCPGNDDVddCPU4R2tVOffOVT xc VC VTUNKC GNDGND图2. 6锁相环电路/z T D O O e g SS、在人刖寺Q 0 » r X 曰系统耍求输出屮心频率为6GHz,带宽为0.5GHz。VCO芯片选用Hittite公司 出品的HMC358MSSG型号的VCO。输出频率为5.875.8 GH乙输出功率为1 ldBim相位噪声为-llOdBc / Hz100KHz,封装形式为MSOP8G贴片封装。查器件手册可知，我们需要的频段5.8

33、6.3GHz对应的控制电压为13V。这对 我们以后选择环路滤波器类型有很大的帮助。锁相环我们选择Analog Devices公司 出品的ADF4106/7芯片，该芯片带宽高达7GHz,输出控制电床可到3.3V,所以环 路滤波器可以选择无源类型。VccLT_n/cezdvtuneLI口GNDSOfTSl RFOUTfTTIN/C a N/C ELSgndPACKAGE BASE图27HMC358封装形式ADIsiniPLL软件是专门为Analog Devices公司锁相环器件设计提供的一款软 件。可以方便的设计环路滤波器，设置环路滤波器带宽为10KHZ相位裕量为45° , 得到如图2.

34、10的环路滤波器，具体参数为Cl=9.7nF,C2=132nF,C3=442nF,Rl=338 Q, R2=690Q。图2.11显示锁相环的相位噪声，从图中可以总结出，总的相位噪 第13页共58页声为78 25dBc/Hz10kHz, -llldBc / Hz100kHz«100IK10K100KIM (HZ)图29相位噪声锁相环的总体结构如图2. 12,频率从5.8GHz到6.3GHz, 1kHz频率锁定需耍300us的时间，10kHz需要411us的时间。中北大学2012届毕业设计说明书雷达换能器采用徳国Innosent公司推出IVS-14&它是一款IVS Innosen

35、t VC0 stereo）系列的双通道K波段雷达传感器，应用领域十分广泛。模块采用平面微带 天线结构，外形十分小巧；工作吋不仅能耗较低，而且非常易于集成丁各种电路， IVS系列雷达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或动态目标的距离信息。其屮，IVS-148充分发挥了 IVS 系列产品强大功能优势，被广泛的应用于交通监测，体育运动，工业控制等多个领 域。电性参数： K波段带VC0的雷达收发器 FSK/FMCW/CW工作模式 高级低功耗PHEMT振荡器 双通道工作可以探测目标的运动方向 低噪声的RF前置放大器 独立的发射和接收路径，可以获得最大增益

36、低噪声IF前置放大器（限制带宽）第17页共58页中北大学2012届毕业设计说明书 可探测动态目标的速度、距离、运动方向，以及静态目标的距离。图2. 11传感器外观共58页中北大学2012届毕业设计说明书共58页中北大学2012届毕业设计说明书接口：该传感器提供了一个2毫米间距6针Molex公司的P / N51004-0600连接器。1启用输入低电平2 VCC输入电源电压（+5 V）3 GND输入的模拟地面4 IF2输出信号Q （uadrat ure ）（正交）5 IF1输出信号I （nphase）（同相）6 Vtune输入变容二极管调谐电斥®Xi?ok *qou 5Q f 6UOI1

37、图2. 12传感器外形尺寸8IA9该传感器无论从外形尺寸还是从电气特性都符合设计要求，适合车载使用。6GHZ到12GHZ借频器选择Hitt讥e公司出品的HMC573,其电气特性如下表2. 1 所示。12GHZ到24GHZ倍频器选择Hittite公司出品的HMC576,其电气特性如表2. 2, 该芯片是倍频加放大功能，输入驱动功率为06dBm,输出功率为15dBm°表2. 1 HMC573电气特性ParameterNfinTypMaxUnitsFrequency Rangejnput411GHZFrequency Range, Output422GHZOutput Power912dB

38、mFo Illation20dRc3Fo Isolation25dBc4Fo Isolation15dBcInput Return Loss10dBOutput Return Loss10dBSSB Phase Noise(lOOKHz)-132dBc/HzSupply Current(idd)92mA表2 2HMC576电气特性ParameterNlinTypMaxUnitsFrequency Rangejnput9-145GHZFrequency Range, Output129GHZOutput Power1015dBmFo Isolation20dBc3Fo Isolation20dB

39、cInput Return Loss10dBOutput Return Loss10dBSSB Phase Noise(lOOKHz)-132dBc/HzSupply Current(idd)82mA混频器选用Hittite公司岀品的HMC329, HMC329LM3是26 - 40 GHz的表面贴 片元件，无源双平衡MMIC混频器中的SMT无铅芯片载体封装。混频器可以用作下 变频器或变频器。优良的隔离性能。该芯片不需耍外部元件，并且没有直流偏置， 是用非密封的环氧树脂密封。利用该HMC329LM3消除了对引线键合的需要，从而提 供为用户的统一的连接接口。共58页中北大学2012届毕业设计说明

40、书02015105(52.ffusvaKnd looFREQUENCY (GHZ)FREQUENCY (GHZ)图2. 13 HMC573HMC576芯戶输出功率对比输入功率GNDRFINGNDGND第21页共58页中北大学2012届毕业设计说明书第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书图 2 14HhfC573HMC576 的封装雷达经过振荡器产生频率信号，经过稳频腔稳频后输岀到天线中馈送出去，屮 间的隔离器防止回波信号进入稳频腔产生噪声。夭线负贵发送微波信号，并且同时 接收反射回來的微波信号。在混频器中将发送和接收的两个信号相乘，这样在混频 器屮得到两个信号，一个高频信号（2/附近）

41、和一个低频（力附近）信号，这种 信号十分微弱，耍经过低频放人电路的放大Z后才能够利用。N/CN/CN/CO111 1 111111 1 111rnI 5 1II厂丁丄LnL.-JIF Packoe Bos®TOP SIDE图2.15HMC329的封装在低频放大电路中，最主要的器件是BB(BURRBROWN)公司的0PA277高精度 放大器。电压随温度漂移最大不超过±0 l,uV/ -C,最大电压偏差不超过10uV, 最大电流偏移为InA。它不像其它放大器那样只能工作在特定的电源电压下，电源 电圧在±2V±18IVZ间都可以正常工作，使得它能够在各种应用当

42、中工作。由于 它的初始化电压偏差很小，因此不盂耍外加用户的调整电路。不易出现其它器件可 能有的相位翻置和过载现象。0PA277工作的发热量很小，只需要自然风冷却。该部分电路的电源部分利用78L09作为电源芯片，为工作电路提供+9V单电源: 信号首先通过一个简单低通滤波器，将泯频后的高频信号滤除。然后采用射极偏置 电路进行初级放大，由Rll、R9、RIO、R13、R14、C21來设置这个放大电路的静 工作点，使得电路的工作受到温度的影响减小。而由丁加入了电阻R14,使得这个 放大电路的输入输出电阻都很大，这样，即可以减小对信号输入端的影响，也减小 了对下一级电路的影响，也减小了对下一级电路的影响

43、。C22可以去掉直流电源的 耦合信号。C23可以滤除信号的低频部分，这样使得整个信号只保留了有用的频率 部分。U7(0PA277)对信号进行第二次放大，然后，再用U8(0PA277)对信号进行第 三次放大。Q2(2N4861)是一个结型场效应管，和Q3(2N5089)组成一个反馈电路， 利用输出信号的反馈，來达到增益门动控制的作用。Q2组成一个射随器，进行阻 抗变换，可以防止直流干扰串入下一级电路。D2防止信号漏掉，D1可以避免信号 反向流动。对该电路进行仿真，电路如图2. 17o第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书512.16信号预处理电路第23页共58页中北大学2012届毕业设计

44、说明书第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书R1847kR1947kC4o.itrU1OUX1ID2114414$2SD1R200 1uF第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书图2 17预处理电路的仿真由图2.18可以看出，当输入波的频率很低时，输出波的幅值很小，输出受到 抑制。随着输入波频率的提高，输出波幅值放大明显且没有失真，如图2.19所示, 特别是在KHZ级别附近时波形良好（中频信号在车速范围内是KHZ数屋级），随 着输入波的频率进一步提髙，输出波形开始失真，并失去放大功能，如图2.20所 示。证明达到了设计预期。第25页共

45、58页中北大学2012届毕业设计说明书第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书Digital OscilloscopeAPoMonMwiel B图218低频时仿真情况图2 19频率在力附近时仿真情况Digital Oscilloscope第27页共58页中北大学2012届毕业设计说明书第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书lllf-I11GWOOFF图2 20高频仿真情况2. 2.5毫米波雷达的数据处理部分DSP(Digital Signal Processor)作为可编程数字信号处理专用芯片是微熨第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书第#页共58页中北大学2012届毕业

46、设计说明书计算机发展的一个重要分支，也是数字信号处理理论实用化过程的重耍技术工具。DSP器件分为两大类：一类是专门用于FFT、FIR滤波、卷积等运算的芯片，称为 专用DSP器件；另一类是可以通过编程完成各种用户耍求的信息处理任务的芯片， 称为通用数字信号处理器件。目前世界上较为苦名的DSP芯片生产厂家有：美国 TI、美国Motorola、美国AD、美国AT&T利日本的NEC公司。其屮以TI公司是世 界上应用最广、品种最多的DSP生产厂家。TI公司的TMS320C54x系列的体系结构 采用修正的哈佛结构，程序与数据分开存放，内部具有八条高度并行性的总线。片 上集成有在片的存储器和在片的外

47、设以及专门用途的硬件逻借，并配备有功能强大 的指令系统，使得该芯片具有很高的处理速度和广泛的应用适应性。再加上采用模 块化设计以及先进的集成电路技术，芯片的功耗小，成本低，目前己广泛的应用于 诸如移动通信、软件无线电、计算机网络等各种专门用途的实时嵌入式系统和仪器 当中。TMS320C54x系列DSP芯片虽然产品很多，但其体系结构基本上是相同的，特别是核心CPU部分，各个型号间的差别主要是在片的存储器和在片的外设的配置。 硬件结构基本上可分为三大块：1）CPU：包括算术逻辑单元、乘法器、累加器、移位寄存器、各种专门用途的 寄存器、地址生成器以及内部总线：2）存储器系统：包括24位外接存储器接口

48、、在片的程序ROM、在片的单访问 RAM和双访问的RAM：3）在片的外设与专用硬件电路：包括在片的定时器、各种类型的串口、主机接 口、在片的锁相环（PLL）时钟发生器以及各种控制电路。此外，在芯片上还包含有 仿真功能及其IEEEU49. 1标准接口，在芯片开发时应用丁仿真。通过对各方面参数以及价格等因素的综合考虎，我们选择了性价比较高的 TMs320vc5402作为我们的核心器件。本系统中DSP系统的电路图如附录三所示。由附录三可以看出，整个DSP系统可以分为以下几个部分：1）电源管理部分，负责整个DSP系统的电源供给。2）扩展程序存储器部分，存储DSP程序代码，在系统启动时口动加载。3）AD

49、变换部分，DSP控制AD器件采样模拟电信号产生数字信号序列。4）与单片机通信部分，负贵同单片机的数据交换。下面我们将分别对这些部分作详细的论述。（一）电源管理我们选収的DSP器件的运算速度很快，而且要求功耗很低，我们知道通常情况 下这两个要求是相互矛盾的。芯片的设计者为了实现两者兼得的目的，采取了对芯 片CPU和外围设备分开供电的思想。外部设备由丁要和其它设备相连接，因此在电 平上要和其它通用设备兼容，所以采用了现在比较流行的低电压器件的电压3.3V： 而CPU要进行高速运算，如果采用同样的电斥，则在工作时的功耗和发热最会很大, 不能满足用户的耍求，所以采用了 1. 8V电源作为内核电源。为了

50、实现对DSP的供电，我们选取了专用的电源管理芯片TPS767D318。它分 为两个模块，其中一个输出1. 8V电压，另外一个输出3. 3V电压。每一个模块的输 出电流在0mA1AZ间，输入电斥在.0.3V13. 5V Z间。TPS767D318的管脚说明 如表2. 3所示：表2. 3 TPS767D218管脚说明TERMINALI/ODESCRIPTIONNAMENO1GND3Regulator #1 ground1EN4IRegulator til enable1IN5,6IRegulator #1 input supply voltage2GND9Regulator #2 ground2E

51、N10IRegulator #2 enable2IN11, 12IRegulator #2 input supply voltage20UT17, 180Regulator #2 output voltage2REST220Regulator #2 reset signal10UT23, 240Regulator #1 out put voltage1FB/NC25IRegulator #1 output voltage feelback1REST280Regulator til reset signalNC1.2, 7. 8,1316, 19, 20,21, 26, 27No connect

52、ionTPS767D318和TMS320VC5402 Z间的连接示意图如图2. 21所示。其中，S1是复位开关，VCC、0UT1和0UT2分别有自己的滤波和去偶电路。0UT1 输出电压为1.8V,为DSP的内核电源供电，0UT2输出电压为3. 3V,为DSP的外设 器件电源供电。N20UT20UT2ounOUTlFBl/SEL 8V3.3VTPS767D318F*CVDODVDDVSS第31页共58页中北大学2012届毕业设计说明书第#页共58页中北大学2012届毕业设计说明书图 2. 21 TPS767D318 和 TMS32OVC54O2 连接示意图第#页共58页中北大学2012届毕业设计

53、说明书（二）扩展存储器5402可寻址1M字空间的片外存储器的存储空间。它的片内ROM、DRAM、SRAM 都可以通过软件映像到程序空间。此时，CPU可以自动的按照程序空间方式对它寻 址。如果程序地址生成器PAGEN产生的地址处丁片外存储器上，CPU可以白动的对 片外存储器寻址。C54x的片内ROM的容量根据型号不同，配置不同，其容量范围 在4K8KZ间，容星大的ROM可以写入用户程序。5402屮有4K字片内ROM,其中 的内容分配如表2. 4：表2. 4 TMS32OVC54O2片内ROM分配表ADDRESSDESCRIPTIONF000h-F7FFhReservedF800h-F8FFhBoot loaderFCOOh-FCFFhu_law expansion tableFDOOh-FDFFhA_law expansion tableFEOOh-FEFFhSine look_up tableFF00h-FF7FhReservedFF80h-FFFFhI nt errup t vec tx t ableC54x所有片内和片外程序存储器以及片内和片外数据存储器分别统一编址， 因此，通过工作方式控制器存器PMST的3个位控制信息MP/MC、OVLY、DROM,可 以