基于nRF24E1與TMC2023的汽車(chē)防撞系統的研制與實(shí)現

基于nRF24E1與TMC2023的汽車(chē)防撞系統的研制與實(shí)現
武漢理工大學(xué)物流工程系(430063) 張旭輝 朱宏輝
 
　　摘　要：介紹了現今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);闡述了信號處理當中的相關(guān)運算理論,并將該理論與上述兩個(gè)芯片為核心的電路相結合,用于汽車(chē)防撞系統當中,從而增強了汽車(chē)防撞系統的防撞能力。
　　關(guān)鍵詞：射頻收發(fā) 相關(guān)運算 防撞系統

　　隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展及社會(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),但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。
　　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。通常它安裝在汽車(chē)上,能探測企圖接近車(chē)身的行人、車(chē)輛或周?chē)系K物;能向司機及乘客提前發(fā)出即將發(fā)生撞車(chē)危險的信號,促使司機甚至撇開(kāi)司機采取應急措施處理特殊險情,避免損失。當前,盡管各國都在研究防碰撞系統(國際上通常稱(chēng)為主動(dòng)安全系統),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,若想有效地解決上述問(wèn)題,防撞系統必須具有如下功能:
　　(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)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,用以去除虛警。
　　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 TMC2023芯片和nRF24E1芯片特點(diǎn)介紹
　　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。該芯片是美國TRW公司近年推出的單片64位CMOS全數字相關(guān)器大規模集成電路,其內部有三個(gè)獨立時(shí)鐘的8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);另外還有一個(gè)7位寄存器用來(lái)裝載預置的門(mén)限值。0～64之間任意長(cháng)的隨機數據與本地碼經(jīng)相關(guān)運算后,以三態(tài)緩沖的7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)的高速CMOS生產(chǎn)工藝,并行相關(guān)速率高達30MHz以上?？蓮V泛應用于同步、匹配濾波、誤碼檢測、記錄及條形碼識別中,尤其適合于雷達信號的識別。
　　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,通道運算時(shí)間小于200μs,數據速率為1Mbps,不需要外接SAW濾波器,是目前世界首次推出的全球通用的低成本射頻系統級芯片。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1.9V～3.6V之間的電壓下穩定工作;內部還嵌有電壓調整器和VDD電壓監視器。無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分有與nRF2401同樣的功能,該功能由內部并行口和內部SPI啟動(dòng),每一個(gè)待發(fā)信號對于處理器來(lái)講都可以作為中斷進(jìn)行編程,或者通過(guò)GPIO端口傳送給微處理器。芯片nRF24E1可以在世界公用的頻段范圍2.4～2.5GHz內實(shí)現無(wú)線(xiàn)通訊。收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調節器和兩個(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,電流消耗只有18mA,所以功耗相當低。
2 系統結構
　　整套信息采集系統由五套射頻發(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樣的,這五 套收發(fā)裝置又與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,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)射電路產(chǎn)生高頻電磁波,然后由相關(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)功能的電路是功放電路。最后把這樣的一個(gè)信號傳向空中。

 
圖1 射頻收發(fā)核心電路

　　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對之進(jìn)行識別,若是同組發(fā)射部分發(fā)出去的則收,并把這個(gè)信號進(jìn)一步傳給射頻接收部分;否則拒絕接收。然后接收部分根據電磁波在空中傳播產(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)對五組射頻收發(fā)單元傳過(guò)來(lái)的距離信息作出計算,得出所測的障礙物與車(chē)的空間方位。到此,障礙物的信息采集工作基本完成,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原理
　　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);而后面的障礙物,則只需判斷出其與汽車(chē)的前后及左右距離即可。所以采取在車(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。在車(chē)后面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。下面給出用射頻收發(fā)系統計算障礙物距離的簡(jiǎn)單過(guò)程。

 
圖2 汽車(chē)防撞系統傳感器分布示意圖

 
圖3 障礙物距離計算示意圖

　　障礙物距離計算示意圖如圖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表示從E點(diǎn)到水平面的距離,FG代表障礙物到車(chē)頭平面的距離,AG表示障礙物到車(chē)一側的距離。要求的就是EF、FG及AG這三條能表示出障礙物與汽車(chē)的空間相對位置的直線(xiàn)段。解法如下:
　　在ΔABC中,作 BD AC,連接ED和FD,則可求ΔABC的面積SΔABC,即:

　　SΔABC＝
式中,S=(T1+T2+T3),T1、T2、T3分別表示線(xiàn)段AB、BC、AC的長(cháng)度
　　故　BD=2SΔABC/AC

 
　　
　　在ΔADE中,

 
　　
　　把射頻收發(fā)系統能夠探測到的距離S1、S2、S3與已知距離T1、T2、T3分別替換AE、BE、CE、AB、BC、AC,則可得所求的三個(gè)距離EF、FG、AG的值。
4 采用的相關(guān)算法
　　隨著(zhù)射頻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,在汽車(chē)防撞系統中,設想了基于偽碼調制的射頻發(fā)射與接收系統。
　　白噪聲瞬時(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。偽隨機碼雖然僅有兩個(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)描述白噪聲。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。在基于偽隨機碼的超聲波測距中,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,設兩個(gè)時(shí)間函數為x1(t)、x2(t),
　　則稱(chēng)為x1(t)的自相關(guān)函數;
　　  稱(chēng)為x1(t),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。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,相關(guān)接收法又分為自相關(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)接收法是在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,不僅要對回波信號的有無(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。
　　本文運用先進(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。
參考文獻
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