基于nRF24E1與TMC2023的汽車防撞系統(tǒng)的研制與實(shí)現(xiàn)

基于nRF24E1與TMC2023的汽車防撞系統(tǒng)的研制與實(shí)現(xiàn)
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(xiàn)今流行的單片射頻收發(fā)芯片nRF24E1與具有相關(guān)運(yùn)算功能的特殊芯片TMC2023的性能特點(diǎn);闡述了信號(hào)處理當(dāng)中的相關(guān)運(yùn)算理論,并將該理論與上述兩個(gè)芯片為核心的電路相結(jié)合,用于汽車防撞系統(tǒng)當(dāng)中,從而增強(qiáng)了汽車防撞系統(tǒng)的防撞能力。
　　關(guān)鍵詞：射頻收發(fā) 相關(guān)運(yùn)算 防撞系統(tǒng)

　　隨著時(shí)代的發(fā)展及社會(huì)的進(jìn)步,越來越多的汽車進(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擁擠的現(xiàn)狀,再加上車速逐漸提高,惡性交通事故無時(shí)無刻不在發(fā)生,給人們和社會(huì)帶來了巨大的生命與財(cái)產(chǎn)損失。
　　汽車防撞系統(tǒng)是一種可向司機(jī)預(yù)先發(fā)出視聽告警信號(hào)的探測(cè)裝置。通常它安裝在汽車上,能探測(cè)企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物;能向司機(jī)及乘客提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險(xiǎn)的信號(hào),促使司機(jī)甚至撇開司機(jī)采取應(yīng)急措施處理特殊險(xiǎn)情,避免損失。當(dāng)前,盡管各國都在研究防碰撞系統(tǒng)(國際上通常稱為主動(dòng)安全系統(tǒng)),但怎樣才能更好地解決虛警的問題,始終困擾著相關(guān)工作者。國際上的研究者通過大量的實(shí)驗(yàn)研究,已經(jīng)達(dá)成共識(shí),若想有效地解決上述問題,防撞系統(tǒng)必須具有如下功能:
　　(1)必須具備測(cè)角能力,目標(biāo)的方位角信息對(duì)于去除虛警是必不可少的;
　　(2)易于產(chǎn)生抗干擾性能強(qiáng)的復(fù)雜發(fā)射信號(hào),配合實(shí)時(shí)高效的信號(hào)處理和目標(biāo)檢測(cè)算法,用以去除虛警。
　　只有以上兩點(diǎn)緊密結(jié)合起來才能保證汽車防碰撞系統(tǒng)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(shù)字相關(guān)器電路,其相關(guān)字長和相關(guān)門限可編程。該芯片是美國TRW公司近年推出的單片64位CMOS全數(shù)字相關(guān)器大規(guī)模集成電路,其內(nèi)部有三個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘的8位移位寄存器(隨機(jī)數(shù)據(jù)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位寄存器用來裝載預(yù)置的門限值。0～64之間任意長的隨機(jī)數(shù)據(jù)與本地碼經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后,以三態(tài)緩沖的7位BCD編碼輸出,并與預(yù)置的門限值在比較器中比較,若相關(guān)值大于或等于門限值,則標(biāo)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(dá)30MHz以上?？蓮V泛應(yīng)用于同步、匹配濾波、誤碼檢測(cè)、記錄及條形碼識(shí)別中,尤其適合于雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別。
　　nRF24E1是一種工作頻率可達(dá)到2.4GHz的無線射頻收發(fā)芯片,通道運(yùn)算時(shí)間小于200μs,數(shù)據(jù)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(tǒng)級(jí)芯片。內(nèi)部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的A/D轉(zhuǎn)換器,可以在1.9V～3.6V之間的電壓下穩(wěn)定工作;內(nèi)部還嵌有電壓調(diào)整器和VDD電壓監(jiān)視器。無線收發(fā)部分有與nRF2401同樣的功能,該功能由內(nèi)部并行口和內(nèi)部SPI啟動(dòng),每一個(gè)待發(fā)信號(hào)對(duì)于處理器來講都可以作為中斷進(jìn)行編程,或者通過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(nèi)實(shí)現(xiàn)無線通訊。收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和兩個(gè)收發(fā)單元。輸出能量、頻段和其它射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地編程調(diào)節(jié)。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(dāng)?shù)汀?
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　整套信息采集系統(tǒng)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(fù)責(zé)計(jì)算它們傳過來的數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際情況作出決策。
　　每套發(fā)射與接收裝置的結(jié)構(gòu)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(yùn)算芯片TMC2032送來的調(diào)制信號(hào)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制,從而產(chǎn)生出與其它射頻收發(fā)單元不同的射頻信號(hào),為接收做好充分準(zhǔn)備。為了使電磁波信號(hào)能夠有足夠遠(yuǎn)的傳播距離,還需要對(duì)調(diào)制后的信號(hào)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(hào)傳向空中。

 
圖1 射頻收發(fā)核心電路

　　當(dāng)發(fā)出去的電磁波遇到障礙物返回時(shí),首先要經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算芯片TMC2032對(duì)之進(jìn)行識(shí)別,若是同組發(fā)射部分發(fā)出去的則收,并把這個(gè)信號(hào)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(jù)電磁波在空中傳播產(chǎn)生的相位移計(jì)算出其傳播所耗的時(shí)間,再計(jì)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(jī)要同時(shí)對(duì)五組射頻收發(fā)單元傳過來的距離信息作出計(jì)算,得出所測(cè)的障礙物與車的空間方位。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(jí)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(jì)算原理
　　汽車在行駛的過程當(dāng)中,對(duì)于前方的障礙物,要能夠判斷其相對(duì)于汽車的空間立體方位才能把前后、左右、上下的障礙物避開;而后面的障礙物,則只需判斷出其與汽車的前后及左右距離即可。所以采取在車前面安裝三個(gè)射頻收發(fā)系統(tǒng),并且三套收發(fā)系統(tǒng)彼此之間呈垂直于水平面的三角形分布。在車后面則安裝兩套射頻收發(fā)系統(tǒng),呈水平分布。整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的安裝如圖2所示。下面給出用射頻收發(fā)系統(tǒng)計(jì)算障礙物距離的簡單過程。

 
圖2 汽車防撞系統(tǒng)傳感器分布示意圖

 
圖3 障礙物距離計(jì)算示意圖

　　障礙物距離計(jì)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代表障礙物到車頭平面的距離,AG表示障礙物到車一側(cè)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的空間相對(duì)位置的直線段。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分別表示線段AB、BC、AC的長度
　　故　BD=2SΔABC/AC

 
　　
　　在ΔADE中,

 
　　
　　把射頻收發(fā)系統(tǒng)能夠探測(cè)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
　　隨著射頻在日常生活中的廣泛應(yīng)用,人們逐漸發(fā)現(xiàn)射頻測(cè)距存在著一定缺陷:①有效作用距離比較短,僅靠提高發(fā)射功率來增加測(cè)量距離是很有限的;②測(cè)距精度主要取決于回波信號(hào)的信噪比,在一定信噪比情況下,僅靠增加前級(jí)放大電路的增益來改善測(cè)量精度也是非常有限的。為了解決上述問題,在汽車防撞系統(tǒng)中,設(shè)想了基于偽碼調(diào)制的射頻發(fā)射與接收系統(tǒng)。
　　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(nèi)是均勻的,而且自相關(guān)函數(shù)具有δ函數(shù)的形狀。偽隨機(jī)碼雖然僅有兩個(gè)電平,但卻具有類似白噪聲的相關(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(jī)序列的平衡特性、游程特性和相關(guān)特性等來描述白噪聲。偽隨機(jī)編碼是用邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的,信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)滿足:

　　
　　可見,當(dāng)P足夠大時(shí),自相關(guān)系數(shù)具有尖銳的二電平特性,接近δ函數(shù)。在基于偽隨機(jī)碼的超聲波測(cè)距中,正是利用偽碼自相關(guān)函數(shù)的尖銳特性來測(cè)量發(fā)射碼和接收碼之間的延時(shí),從而提高測(cè)量精度。m序列偽隨機(jī)碼是由線性移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的一種序列。由于其相關(guān)特性優(yōu)良,又便于產(chǎn)生,所以得到了廣泛的應(yīng)用。
　　根據(jù)相關(guān)函數(shù)定義,設(shè)兩個(gè)時(shí)間函數(shù)為x1(t)、x2(t),
　　則稱為x1(t)的自相關(guān)函數(shù);
　　  稱為x1(t),x2(t)的互相關(guān)函數(shù);
　　在信號(hào)檢測(cè)理論中有兩類問題:一類是檢測(cè)信號(hào),即根據(jù)接收到的混合信號(hào)(信號(hào)加噪聲或純?cè)肼?作出有無信號(hào)的判斷;另一類是估計(jì)參量,即在已檢測(cè)出有無信號(hào)的基礎(chǔ)上,對(duì)信號(hào)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(jì)。為了提高抗干擾性,需要尋求在干擾條件下對(duì)信號(hào)的最佳接收方法。周期性信號(hào)的相關(guān)函數(shù)仍是周期函數(shù),而干擾噪聲的相關(guān)函數(shù)則是δ函數(shù)。根據(jù)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(hào)。這種利用時(shí)域特性上的差別來檢測(cè)信號(hào)的方法稱為相關(guān)接收法。根據(jù)參考信號(hào)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)接收法是在無法確知輸入波形(或數(shù)據(jù))的情況下,利用自相關(guān)器對(duì)之作自相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算;互相關(guān)接收法是在可以確定參考信號(hào)的情況下,利用相關(guān)器對(duì)輸入波形(或數(shù)據(jù))與本地信號(hào)作互相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算。本設(shè)計(jì)中參考信號(hào)是本地碼,所以采用互相關(guān)接收法。在射頻測(cè)距系統(tǒng)中,不僅要對(duì)回波信號(hào)的有無進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)還要對(duì)回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的延時(shí)進(jìn)行精確的測(cè)量。這樣才能準(zhǔn)確地知道無線電波傳播所用的時(shí)間,進(jìn)而算出障礙物與車之間的距離。
　　本文運(yùn)用先進(jìn)的射頻技術(shù)與穩(wěn)定可靠的相關(guān)算法,使汽車具有較強(qiáng)的防撞能力。上述總體設(shè)計(jì)方案在實(shí)驗(yàn)小車上已經(jīng)實(shí)現(xiàn),并且在一定程度上能夠解決前面所述的始終困擾著相關(guān)工作者的兩個(gè)關(guān)鍵問題,即已經(jīng)具備了較靈敏的測(cè)角能力和較強(qiáng)的抗干擾能力,這樣就能夠使汽車具有較強(qiáng)的防撞能力。盡管如此,因?yàn)槠囆旭傔^程當(dāng)中關(guān)系著人的生命安全,所以其性能還有待進(jìn)一步提高,以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的絕對(duì)安全性,進(jìn)而對(duì)之進(jìn)行推廣。
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