基于nRF24E1與TMC2023的汽車(chē)防撞系統

摘要：介紹現今最流行的單片射頻收發(fā)芯片nRF24E1與具有相關(guān)運算功能的特殊芯片TMC2023的性能特點(diǎn)；闡述信號處理當中的相關(guān)運算理論，并將該理論與以上述兩個(gè)芯片為核心的電路結合，用于汽車(chē)防撞系統當中，增強汽車(chē)防撞系統的能力。

關(guān)鍵詞：射頻收發(fā) 相關(guān)運算 防撞系統 nRF24E1 TMC2023

引 言

　　隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，社會(huì )的進(jìn)步，越來(lái)越多的汽車(chē)進(jìn)入了普通人的家庭。盡管公路條件在不斷改進(jìn)，仍然避免不了公路上汽車(chē)擁擠的現狀，再加上車(chē)速逐漸提高，惡性交通事故無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生，給人們和社會(huì )帶來(lái)了巨大的生命與財產(chǎn)損失。

圖1

　　汽車(chē)防撞系統是一種可向司機預先發(fā)出視聽(tīng)告警信號的探測裝置。它通常安裝在汽車(chē)上，能探測企圖接近車(chē)身的行人、車(chē)輛或周?chē)系K物；能向司機及乘員提前發(fā)出即將發(fā)生撞車(chē)危險的信號，促使司機甚至撇開(kāi)司機采取應急措施來(lái)應付特殊險情，避免損失。當前，盡管各國都在研究防碰撞系統，但怎樣才能更好地解決虛警的問(wèn)題，始終困擾著(zhù)相關(guān)工作者。國際上的研究者通過(guò)大量的實(shí)驗研究，已經(jīng)達成共識，防撞系統若想有效地解決上述問(wèn)題，必須使其具有如下功能，即：

① 必須具備測角能力。目標的方位角信息對于去除虛警是必不可少的。

② 設計出易于產(chǎn)生、抗干擾性能強的復雜發(fā)射信號，配合實(shí)時(shí)高效的信號處理和目標檢測算法，以去除虛警。

　　只有以上兩點(diǎn)緊密結合起來(lái)，才能保證汽車(chē)防碰撞系統的可靠性。

1 芯片特點(diǎn)介紹

（1)相關(guān)運算芯片TMC2032

　　TMC2032是一種新型的全數字相關(guān)器電路，其相關(guān)字長(cháng)和相關(guān)門(mén)限可編程。該芯片是由美國TRW公司近年推出的單片64位CMOS全數字相關(guān)大規模集成電路。其內部有3個(gè)獨立時(shí)鐘的八位移位寄存器：隨機數據寄存器A、本地碼寄存器B和屏蔽碼寄存器M；1個(gè)七位BCD編碼輸出，并與預置的門(mén)限值在比較器中比較。若相關(guān)值大于或等于門(mén)限值，則標志位由低變高。由于采用了先進(jìn)的高CMOS生產(chǎn)工藝，并行相關(guān)速率高達30Mbps以上；可廣泛用于同步、匹配濾波、誤碼檢測、記錄及條形碼識別等，尤其適合雷達信號的識別。

(2)射頻收發(fā)芯片nRF24E1

　　nRF24E1是一種工作頻率可達到2.4GHz的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片。內部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的A/D轉換器，可以在1.9~3.6V之間的電壓下穩定工作。其內部還有電壓調整器和VDD電壓監視，通道形狀時(shí)間小于200μs，數據速率1Mbps，不需要外接SAW濾波器。nRF24E1是目前世界首次推出的全球2.4GHz通用的，完整低成本射頻系統級芯片。無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分有與nRF2401同樣的功能。該功能由外部并行口和外部SPI啟動(dòng)，每一個(gè)待發(fā)信號對于處理器來(lái)講都可以作為中斷來(lái)編程，或者通過(guò)GPIO端口實(shí)現。nRF24E1是一個(gè)可以在世界公用的頻段范圍(2.4~2.5GHz)內實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的芯片。收發(fā)機包含1個(gè)完全集成的分頻器、放大器、調節器和2個(gè)收發(fā)單元。輸出能量、頻段和其它射頻參數，可通過(guò)射頻寄存器方便地編程調節。在發(fā)送模式下，電流消耗只有10.5mA；在接收模式下，只有18mA，所以功耗相當低。

2 系統結構

　　 整套信息采集系統由5套射頻發(fā)射與接收裝置組成，每套發(fā)射與接收部分的基本電路都是一致的。圖1是射頻收發(fā)的核心電路。這5 套收發(fā)系統又與DSP中央處理器相連。中央處理器負責計算它們傳過(guò)來(lái)的數據，然后由其根據實(shí)際情況作出決策。

　　每套發(fā)射與接收裝置的結構如圖1所示。首先，由以nRF24E1為核心的射頻發(fā)射電路發(fā)出高頻電磁波，在發(fā)出之前，由相關(guān)運算芯片TMC2032送來(lái)的調制信號對其進(jìn)行調制，從而產(chǎn)生出與其它射頻收發(fā)單元不同的射頻信號，為接收做好充分準備。為了使電磁波信號能夠有足夠遠的傳播距離，還需要對調制后的信號進(jìn)行放大，完成這個(gè)功能的電路就是功放電路。最后，把這樣的一個(gè)信號傳向空中。

　　當發(fā)出去的電磁波遇到障礙物返回時(shí)，首先要經(jīng)過(guò)相關(guān)運算芯片TMC2032進(jìn)行識別：若是同組發(fā)射部分發(fā)出去的，則接收，并把這個(gè)信號進(jìn)一步傳給射頻接收部分。接收芯片通過(guò)這樣的電磁波在空中傳播而產(chǎn)生的相位移，計算出其傳播所耗的時(shí)間，再計算出障礙物與該組收發(fā)部分的距離。最后，把這個(gè)距離信息送給中央處理器。中央處理單片機要同時(shí)對5 組射頻收發(fā)單元傳過(guò)來(lái)的距離信息作出計算，得知所測的障礙物與車(chē)的立體方位距離。到此，障礙物的信息采集工作基本已經(jīng)做完，剩下的就是把這個(gè)綜合信息再傳給更高級的中央處理器，讓其作出最后決策。

3 收發(fā)單元的布置方案及計算示例

　　由于汽車(chē)在行駛的過(guò)程當中，對于前方的障礙物要能夠判斷其相對于汽車(chē)的空間立體方位，才能把前后、左右、上下的障礙物避開(kāi)；而后面的則只需判斷出其與汽車(chē)的前后及左右距離即可。所以采取了車(chē)前面安裝三個(gè)射頻收發(fā)系統，并且三套收發(fā)系統彼此之間呈垂直于水平面的三角形分布；后面的則安裝兩套射頻收發(fā)系統，呈水平分布。整個(gè)收發(fā)系統的安裝如圖2所示。圖3中，給出了用射頻收發(fā)系統計算障礙物距離的簡(jiǎn)單過(guò)程。

　　已知由S1、S2、S3、T1、T2、T3所組成的立體障礙物距離計算示意如圖3所示。其中A、B、C三點(diǎn)分別代表安裝在車(chē)頭前的三個(gè)超聲傳感器，E點(diǎn)代表障礙物；則EF表示由E點(diǎn)到水平面的距離，FG代表障礙物到車(chē)頭的距離，AG表示障礙物到車(chē)一側的距離。我們要求的就是EF、FG及AG三個(gè)直線(xiàn)。解法如下：

在△ABC中作 BD⊥AC，連接ED、FD，在△ABC中可求

把已知數S1、S2、S3、T1、T2、T3分別代入，可得所求的三個(gè)距離值。

4 相關(guān)算法

　　隨著(zhù)射頻技術(shù)在日常生活中的廣泛應用，人們逐漸發(fā)現射頻測距存在著(zhù)一定缺陷：①有效作用距離比較短，僅靠提高發(fā)射功率來(lái)增加測量距離又是很有限的；②測距精度主要取決于回波信號的信噪比，在一定信噪比情況下，僅靠增加前級放大電路的增益來(lái)改善測量精度也是非常有限的。為了解決上述問(wèn)題，此汽車(chē)防撞系統設想了基于偽碼調制的射頻發(fā)射與接收系統。

　　隨機過(guò)程是白噪聲，其瞬時(shí)值服從高斯分布(正態(tài)分布)。它的功率譜密度在很寬的頻帶內是均勻的，而且自相關(guān)函數具有δ函數的形狀。偽隨機碼雖然僅有2個(gè)電平，但卻具有類(lèi)似白噪聲的相關(guān)特性，只是其幅度概率分布不再服從高斯分布。所以，可以用偽隨機序列的平衡特性、游程特性和相關(guān)特性等來(lái)描述偽隨機碼。偽隨機編碼是用邏輯運算實(shí)現的，信號的自相關(guān)函數滿(mǎn)足：

　　可見(jiàn)，當P足夠大時(shí)，自相關(guān)系數具有尖銳的二電平特性，接近δ函數。在基于偽隨機碼超聲波測距中，正是利用偽碼自相關(guān)函數的尖銳特性來(lái)測量發(fā)射碼和接收碼之間的延時(shí)，從而提高測量精度。m序列偽隨機碼是由線(xiàn)性移位寄存器產(chǎn)生的、周期最長(cháng)的一種序列。由于其相關(guān)特性?xún)?yōu)良，又便于產(chǎn)生，所以得到了廣泛的應用。

　　根據相關(guān)函數定義，設2個(gè)時(shí)間函數X1(t)、X2(t)，則

稱(chēng)為X1(t)的自相關(guān)函數；

稱(chēng)為X1(t)和X2(t)的互相關(guān)函數。

　　在信號檢測理論中有兩類(lèi)問(wèn)題：一類(lèi)是檢測信號，即根據接收到的混合信號(信號加噪聲或純噪聲)作出有無(wú)信號的判斷；另一類(lèi)是估計參量，即在已檢測出有無(wú)信號的基礎上，對信號的某些參量(例如振幅、相位、頻率、脈沖幅度等)或波形作出估計。為了提高抗干擾性，需要尋求在干擾條件下對信號的最佳接收方法。由于周期性信號的相關(guān)函數仍是周期函數，而干擾噪聲的相關(guān)函數則是δ函數。根據這些差別，可利用相關(guān)器檢出混在噪聲干擾中的周期性信號。這種利用時(shí)域特性上的差別來(lái)檢測信號的方法稱(chēng)為相關(guān)接收法。根據參考信號不同，又分為自相關(guān)接收法和互相關(guān)接收法。自相關(guān)接收法是在無(wú)法確知輸入波形(或數據)的情況下，利用自相關(guān)器對之作自相關(guān)函數的運算；互相關(guān)接收法是可以確定參考信號的情況下，利用相關(guān)器對輸入波形(或數據)與本地信號作互相關(guān)函數的運算。本設計中參考信號是本地碼，所以采用互相關(guān)接收法。在射頻測距系統中，不僅要對回波信號有無(wú)進(jìn)行檢測，同時(shí)還要對回波信號和發(fā)射信號的延時(shí)進(jìn)行精確的測量。這樣才能準確地知道無(wú)線(xiàn)電波傳播所用的時(shí)間，進(jìn)而算出障礙物與車(chē)之間的距離。

5 總 結

　　本文成功地運用了先進(jìn)的射頻技術(shù)與穩定可靠的相關(guān)算法，使汽車(chē)具有較強的防撞能力。上述總體設計方案，在實(shí)驗小車(chē)上已經(jīng)實(shí)現，并且在一定程度上能夠解決前面所述的汽車(chē)防撞系統中始終困擾著(zhù)相關(guān)工作者的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。即已經(jīng)具備了較靈敏的測角能力和較強的抗干擾能力，這樣就能夠使汽車(chē)具有較強的防撞能力。盡管如此，因為汽車(chē)行駛過(guò)程當中關(guān)系著(zhù)人的生命安全，所以其性能還有待進(jìn)一步提高，以增強整個(gè)系統的絕對安全性，進(jìn)而對之進(jìn)行推廣。