基于msp430單片機(jī)的車載雷達(dá)測速測距系統(tǒng)

基于msp430單片機(jī)的車載雷達(dá)測速測距系統(tǒng)

1汽車《理想國》隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國汽車工業(yè)和人均汽車產(chǎn)量不斷增加，道路安全問題日益突出。為保證道路交通的行車安全、暢通,人們采取了很多措施,如安全氣囊、安全帶、保險杠、阻燃器件等。近年來,車載防撞系統(tǒng)的研制越來越受到人們的青睞。同時,微波技術(shù)由于其自身強(qiáng)大的穿透能力,因此在這一領(lǐng)域發(fā)揮了重大的作用。國外這項(xiàng)研究的起步比較早,也取得了一些顯著的成果:美國Eaton公司于1993年開發(fā)Vorad汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng);日本豐田公司于1995年研制出主動預(yù)防安全系統(tǒng)和被動防撞安全系統(tǒng),微波雷達(dá)是其中的重要組成部分;德國奔馳公司于1997年研制的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)榮獲德國的工業(yè)革新獎。國內(nèi)此項(xiàng)研究才剛剛起步,目前還沒有成熟的技術(shù)成型,也沒有相應(yīng)的產(chǎn)品面市。然而,國外技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、成本高,只適用于少數(shù)高檔車而不具備普及性。因此,當(dāng)公路特別是高速公路上出現(xiàn)大霧、沙塵暴等惡劣天氣時,采取的手段通常是人為封鎖道路。這不僅不利于道路的行車暢通,而且耗費(fèi)大量的人力物力,不僅浪費(fèi)時間,而且不利于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。為解決高速公路在某些惡劣氣候下的安全通行問題,提高高速公路的服務(wù)效率,緩解高速公路周邊國道省道的交通壓力,增加高速公路的盈利水平,本文提出基于MSP430F436單片機(jī)的車載雷達(dá)測速測距系統(tǒng),旨在實(shí)現(xiàn)微波雷達(dá)低成本、高精度的測速測距功能。2微波雷達(dá)安裝識別原理現(xiàn)有的大多測速或測距儀器采用的技術(shù)手段主要有超聲波、紅外線、激光、視頻、微波雷達(dá)等。它們各自的技術(shù)特性存在以下區(qū)別:(1)超聲波的遠(yuǎn)距離探測能力和溫度穩(wěn)定性較差;紅外線和激光在煙霧、灰塵籠罩時的性能較差,且受氣候影響大。(2)視頻的黑暗穿透能力弱,同時和紅外激光一樣,在煙霧、灰塵籠罩時的性能較差。(3)微波雷達(dá)的遠(yuǎn)距離探測能力、黑暗穿透力、灰塵煙霧籠罩時的性能以及溫度穩(wěn)定性等綜合指標(biāo)均較好。因此,具有良好探測能力且適合全天候運(yùn)行的微波雷達(dá)是車載測速測距系統(tǒng)的最佳選擇。微波雷達(dá)測速測距原理示意圖如圖1所示。微波雷達(dá)測速測距的原理如下:(1)測速原理。如圖1所示,微波雷達(dá)傳感器主要由發(fā)射器、接收器和混頻器3個部分組成,發(fā)射器發(fā)射出頻率為f0的入射波,當(dāng)目標(biāo)車輛與傳感器之間有相對速度v時,接收器將接收到發(fā)生多普勒頻移的反射波,其頻率為f0+fd,最后入射波與反射波在混頻器的作用下輸出一頻率為fd的電信號,根據(jù)多普勒原理可以得到:其中,v為目標(biāo)車輛的相對速度;λ為微波的波長。因此,只要檢測出混頻輸出信號的頻率即可通過式(1)得到目標(biāo)車輛的相對速度。(2)測距原理?，F(xiàn)在考慮波的能量理論,假設(shè)入射波的角頻率、波長及場強(qiáng)分別為ω、λ和E1,目標(biāo)車輛與其距離為D,則入射波可表示為e1=E1cosω(t),經(jīng)目標(biāo)車輛反射后的回波為e2、場強(qiáng)為E2,則:其中,c為光速。由此可得,D與E2之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系。而場強(qiáng)在電信號上表現(xiàn)為電壓值,本文可以通過電壓和距離之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定,通過查表法最終確定信號源與目標(biāo)測量之間的距離。3硬件電路設(shè)計3.1msp430超基本系統(tǒng)組成車載雷達(dá)測速測距系統(tǒng)采用車上12V的點(diǎn)煙器供電,要求體積小、易安裝、精度高、功耗低以及穩(wěn)定性好,為滿足上述要求,本文采用美國TI公司生產(chǎn)的16位精簡指令結(jié)構(gòu)(RISC)的超低功耗單片機(jī)MSP430F436作為核心微處理器芯片,其最主要的特點(diǎn)是超低功耗和工作穩(wěn)定:它可工作在1.8V~3.6V之間,正常工作時功耗可控制在200μA左右,低功耗模式時可實(shí)現(xiàn)2μA,甚至是0.1μA的超低功耗。像其他MSP430系列的微處理器一樣,它主要由12bit的A/D、比較器、定時器、片內(nèi)UART、看門狗、片內(nèi)振蕩器和大量的I/O端口及大容量的片內(nèi)存儲器等組成。以MSP430F436為核心的測速測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,其主要包括微波雷達(dá)傳感器、信號調(diào)理模塊、微處理器MSP430F436、LCD顯示電路、光聲報警裝置、上位機(jī)通信模塊、供電裝置和MSP430系列單片機(jī)(MicroControllerUnit,MCU)所必需的外圍JTAG、時鐘、復(fù)位等電路。微波雷達(dá)傳感器輸出的混頻信號經(jīng)信號處理模塊后分兩路輸入分別輸入到MCU和A/D轉(zhuǎn)換器中,MCU通過讀取A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果以及對電壓比較器輸出的方波信號的捕獲計數(shù)決定程控放大器的放大倍數(shù)和峰值檢測電路中蓄電電容的放電時刻。與此同時,MCU還會將獲得的頻率與幅值轉(zhuǎn)化成相對速度和距離值,并實(shí)時顯示在LCD上。當(dāng)檢測所得的值超出預(yù)先設(shè)定閾值時,MSP430會驅(qū)動光聲報警裝置,在反應(yīng)時間內(nèi)警示駕駛員采取剎車等措施,避免事故的產(chǎn)生。3.2信號采集電路微波雷達(dá)傳感器輸出的混頻信號是一個包含時間分量的正弦信號,它具有以下特點(diǎn):(1)信號微小,在距離為20cm以下時可獲得最大Vpp=4V。(2)隨著距離的改變,信號幅度的變化范圍大。(3)信號的輸出阻抗大,容易受后級電路負(fù)載以及數(shù)字量的串連干擾而發(fā)生嚴(yán)重的變形。因此,不能未加處理地把微波雷達(dá)傳感器輸出的混頻信號直接輸入MCU中,而需要在它們之間加一個信號處理模塊,在硬件上對其進(jìn)行預(yù)處理。從圖2可知該模塊主要由跟隨電路、電壓比較器、程控放大器和峰值檢測電路4個部分組成。四者各司其職,協(xié)調(diào)工作,其中:(1)跟隨電路:增大輸入阻抗,減小輸出阻抗,起到阻抗匹配、增強(qiáng)信號穩(wěn)定性的作用,也因此消除了電路負(fù)載和數(shù)字量對信號的影響。(2)電壓比較器:將穩(wěn)定的信號轉(zhuǎn)換成3.3V的方波信號,使用時可用電位計調(diào)節(jié)比較電壓的值,消除工頻信號的干擾。(3)程控放大器:對小信號進(jìn)行放大,MCU根據(jù)前一時刻A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)改變其放大倍數(shù),從而使信號的幅值一直保持2V~3V,進(jìn)一步提高采樣精度。在設(shè)計方案上,有2種選擇:1)采用諸如TI公司生產(chǎn)的PGA2310等集成程控增益放大器;2)采用放大器加模擬多路復(fù)用器,雖然前者的電路集成度高、結(jié)構(gòu)簡單,但考慮它昂貴的成本,因此,本文采用后者,即放大器OP07和模擬多路復(fù)用器MAX308組成的程控放大器。(4)峰值檢測電路:獲取信號的峰值,即放大信號的幅值,以供A/D轉(zhuǎn)換器采樣。本系統(tǒng)設(shè)計一方面要求蓄電電容性能要好,蓄電能力強(qiáng),不至于在A/D采集之前電容把電荷全部泄漏而導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確;另一方面在模擬開關(guān)對蓄電電容進(jìn)行充放電控制時,要求充放電速度要快,以保證在下一個峰值來臨之前放電完畢。綜合考慮本文選用特性接近理想電容、容量為1μF的聚酯電容作為蓄電電容,而在放電部分直接采用集成模擬開關(guān)MAX4656(內(nèi)阻大約為20?),測試表明這樣設(shè)計的充放電時間大約為100μs,滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。信號處理模塊的部分電路原理圖及其輸出的兩路信號波形如圖3、圖4所示。在此,需要說明的是:(1)在測試時,被測物朝著遠(yuǎn)離傳感器的方向前進(jìn),所以,波形的幅值都是由大變小。(2)雖然電壓比較器的輸出波形穩(wěn)定,但是偶爾也會由于外界擾動高于比較電壓而產(chǎn)生孤立的方波,這可以在軟件處理時將其過濾。(3)本文在測試時并沒有在每個波峰來臨之前對蓄電電容進(jìn)行放電,這也是輸出波形的電壓值高于后面小峰值的原因;而電壓下降是由蓄電電容泄漏電荷引起的(任何電容都不能達(dá)到理想電容的效果)。4中斷及新型同步控制模塊系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于MSP430F436進(jìn)行的,在IAREmbededWorkbenchEW430集成環(huán)境中,采用C和匯編混合編程的程序設(shè)計方法以提高軟件的性能。同時,軟件采用模塊化設(shè)計方法,增強(qiáng)設(shè)計的可靠性和可移植性。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)濾波模塊、定時器中斷模塊、串口通信模塊以及LCD顯示模塊等。其中,系統(tǒng)初始化模塊實(shí)現(xiàn)對MSP430時鐘、端口、LCD、定時器的初始化,中斷的開啟和低功耗模式的進(jìn)入等;定時器中斷模塊包括用于看門狗復(fù)位及LCD顯示屏刷新的基本定時器以及用于捕獲方波信號的定時器A;串口通信模塊主要負(fù)責(zé)與PC機(jī)之間的通信交互,傳遞距離與速度的報警閾值、LCD刷新頻率等系統(tǒng)參數(shù)。鑒于車載雷達(dá)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中會受到地物雜波、回波等干擾,在軟件設(shè)計過程中,本文采用數(shù)據(jù)采集邏輯與軟件濾波算法相結(jié)合,測速與測距相結(jié)合的方法以進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力:在電壓比較器輸出的第1個方波上升沿(對應(yīng)程控放大后的波谷)開始計數(shù),第3個上升沿計數(shù)結(jié)束并啟動A/D轉(zhuǎn)換器采集距離信息(幅值),即每2個周期采集一次速度與距離的數(shù)據(jù),并采用滑動窗口進(jìn)行濾波處理。為消除孤立方波的擾動,如果定時器A連續(xù)溢出2次(2s~4s),則本次采集重新開始;連續(xù)溢出5次(5s~10s沒有信號),則清空LCD顯示,丟棄之前采集的所有數(shù)據(jù);具體的采集流程如圖5所示。5測量誤差的分布在測試實(shí)驗(yàn)中,探測車輛(裝有本文設(shè)計的微波雷達(dá)測速測距系統(tǒng))以10km/h,15km/h,20km/h,…,60km/h的不同速度駛向或駛離目標(biāo)車輛,在10m~150m之間每隔10m記錄一組數(shù)據(jù),即距離與速度的測量值,一共可獲得195組數(shù)據(jù)。本文采用相對誤差的方法衡量測量的精度,即:其中,e為相對誤差;Dt為測量值;Dr為真實(shí)值。由此可獲得誤差的分布情況如圖6所示。從圖6可見,速度與距離的精度均在10%以下,并且隨著