基于雷達(dá)測(cè)距的火車精確對(duì)接控制研究論文正文

1、第一章 緒 論1.1研究背景和意義隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)、汽車工業(yè)、鐵路和高速公路也得到迅速的發(fā)展，近年來發(fā)展尤為迅速。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了一系列的社會(huì)問題：環(huán)境污染、能源浪費(fèi)以及大量的交通事故等等。其中交通事故給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。交通事故已成為“世界第一大害”，中國和美國是世界上交通事故最嚴(yán)重的兩個(gè)國家。中國公安部交通管理局?jǐn)?shù)據(jù)顯示：2012年,中國共發(fā)生交通事故472.7萬起,其中涉及人員傷亡的道路交通事故20.4萬余起,造成59997人死亡、224327人受傷，連續(xù)十余年居世界第一。美國交通部國家公路交通安全管理局發(fā)布的2012年美國交通事故分析報(bào)告顯示：2012

2、年美國交通事故死亡人數(shù)總數(shù)達(dá)33561人，全年因交通事故受傷人數(shù)達(dá)到240萬人。通過對(duì)公路交通事故的分析顯示：超過八成的公路交通事故是由于駕駛司機(jī)反應(yīng)不及時(shí)造成的；超過六成的交通事故是由于追尾所致，在這些追尾事故中，又有五成是司機(jī)沒看清楚前方車輛所導(dǎo)致，三成是司機(jī)發(fā)現(xiàn)了危險(xiǎn)但來不及采取相應(yīng)減速措施，事故無法避免。在高速公路上車速過快反應(yīng)時(shí)間短，長(zhǎng)時(shí)間駕駛車輛產(chǎn)生疲勞導(dǎo)致反應(yīng)變慢，遇到雨雪霧等惡劣天氣時(shí)，地面打滑能見度低，事故發(fā)生率更高【1】。歐洲的一項(xiàng)研究表明: 駕駛員只要在有碰撞危險(xiǎn)的 0.5 秒前得到預(yù)警, 就可以避免至少 60%的追尾撞車事故, 30%的迎面撞車事故和 50%的路面相關(guān)事

3、故;若有 1 秒鐘的“預(yù)警”時(shí)間, 則可避免 90%的事故【3】。公路交通安全問題給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失，已經(jīng)得到了人們的廣泛關(guān)注，并且成為目前亟待解決的問題。在預(yù)防減少公路交通事故帶來的損失上，政府部門除了建立健全的交通安全體制緩解交通壓力、預(yù)防和控制車輛損壞和交通事故外，在交通工具上人們主要從兩個(gè)方面著手考慮：汽車的被動(dòng)安全和主動(dòng)安全。被動(dòng)安全系統(tǒng)旨在最大程度上減少損失，通過幾十年的發(fā)展已經(jīng)成熟。大致上分為兩類：事故發(fā)生時(shí)起作用的安全防護(hù)措施，如安全帶、保險(xiǎn)杠、安全氣囊等；以及事故發(fā)生后起作用的安全防護(hù)措施，如汽車黑匣子、阻燃器件、自動(dòng)報(bào)警裝置等等【4】。但這些被動(dòng)的安全措

4、施，往往只能在事故發(fā)生時(shí)起到一定的保障人身安全的作用，并不能從根本上阻止交通事故的發(fā)生減少人身財(cái)產(chǎn)損失。因此，近年來在全球范圍內(nèi)興起了以預(yù)防為主的汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)，也稱為智能交通系統(tǒng)【6】。主動(dòng)安全系統(tǒng)顧名思義即：汽車在行駛過程中通過對(duì)汽車行駛狀況經(jīng)行預(yù)判，提前識(shí)別危險(xiǎn)并向駕駛員發(fā)出警報(bào)或自動(dòng)采取相應(yīng)應(yīng)急措施以防止交通事故的發(fā)生，達(dá)到主動(dòng)預(yù)防為主的目的。主動(dòng)安全系統(tǒng)包括車輛正常行駛過程中的預(yù)防安全和車輛在事故發(fā)生前的事故安全兩種，如車道偏離系統(tǒng)、前向避障輔助系統(tǒng)、夜視系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)、車距自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等等，主動(dòng)安全系統(tǒng)通過提前預(yù)防，給駕駛?cè)藛T發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)或自動(dòng)采取相應(yīng)應(yīng)急措施

5、，有效的保障了駕駛?cè)藛T和行人的人身安全，大大避免交通事故的發(fā)生概率，有望以最徹底的方式減少交通事故中造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡【4】。其中，汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)作為主動(dòng)安全系統(tǒng)和智能交通體系中的重要研究?jī)?nèi)容，獲得了廣泛的關(guān)注【3】。 本文依托南車電氣設(shè)備有限公司提供的火車對(duì)接測(cè)距應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)接測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量火車對(duì)接過程中兩節(jié)車廂之間的距離，并通過反饋給上位機(jī)，減少對(duì)接過程中人力物力資源，以及預(yù)防對(duì)接過程中人為失誤造成的意外事故。并在對(duì)接測(cè)距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過控制電機(jī)運(yùn)行，模擬對(duì)火車車速的控制，達(dá)到智能控制火車對(duì)接的整個(gè)過程。1.2汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)測(cè)距技術(shù)方案相比安全帶、安全氣囊等被動(dòng)

6、安全方式而言，汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)對(duì)于提高車輛行駛安全十分重要。汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)的關(guān)鍵在于測(cè)距和測(cè)速，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛前方，辨別是否存在危險(xiǎn)；當(dāng)前方出現(xiàn)潛在危險(xiǎn)目標(biāo)（慢行車輛或停止車輛），主動(dòng)防撞系統(tǒng)則提前向司機(jī)發(fā)出警報(bào)，提前使司機(jī)作出反應(yīng)，采取相應(yīng)措施，必要時(shí)通過控制系統(tǒng)，自動(dòng)剎車或減速，實(shí)現(xiàn)智能控制的目的。長(zhǎng)久以來以汽車主動(dòng)安全為目的的汽車防撞系統(tǒng)的研究一直備受人們的重視。1971年開始，相繼出現(xiàn)了超聲波【10】、紅外【11】、激光【12】、視頻圖像（CCD）【13】、毫米波雷達(dá)【14】等多種汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)。1.2.1超聲波測(cè)距超聲波指頻率在20KHz以上的機(jī)械波，因其頻率下限大于等于人類聽

7、覺上限而文明。它方向性好、穿透能力強(qiáng)、在水中傳播距離遠(yuǎn)，常用于測(cè)距、測(cè)速、探傷等領(lǐng)域。超聲波借助空氣煤質(zhì)傳播，通過發(fā)射超聲波與接收到通過障礙物反射回來的超聲波的時(shí)間間隔和反射回來的超聲波的強(qiáng)弱判斷障礙物的性質(zhì)和距離，是一些無目視能力的生物，如蝙蝠作為捕捉獵物和防御的生存手段。由于超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)；并且易于成本低、尺寸小、定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易于控制；且超聲波由于具有不受光線、電磁波、粉塵等的干擾以及厘米數(shù)量級(jí)的工程測(cè)距精度等優(yōu)點(diǎn), 因而在橋梁、隧道、涵洞的距離檢測(cè)上得到了廣泛的應(yīng)用【10】。但因?yàn)槌暡ǖ膫鬏斔俣仁艽髿庥绊戄^大，不同的大氣條件下傳播速

8、度不一樣；另一方面是對(duì)于遠(yuǎn)距離的障礙物，由于反射波過于微弱使得靈敏度下降，故超聲波測(cè)距常用于短距離測(cè)距，最佳距離為4-5米，一般應(yīng)用在汽車倒車防撞系統(tǒng)上【1】。1.2.2紅外測(cè)距紅外線是波長(zhǎng)介于微波與可見光之間的電磁波，波長(zhǎng)在760nm-1mm之間，是一種非可見光。由于紅外先傳播過程中具有不擴(kuò)散特性以及穿透其他物質(zhì)時(shí)折射率小，因此穿透云霧能力強(qiáng)。紅外線和超聲波測(cè)距在原理上基本相同，依據(jù)發(fā)射紅外線和接收到障礙物反射回來的紅外線之間的時(shí)間間隔以及紅外線的傳播速度就可以算出與障礙物之間的距離。紅外線測(cè)距因成本低、技術(shù)難度不高；比超聲波傳播速度更快、傳播方向性更好、發(fā)射功率可控性更強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)【11】

9、,在軍事測(cè)距如坦克、飛機(jī)對(duì)目標(biāo)的測(cè)距，云層、飛機(jī)、人造衛(wèi)星的高度測(cè)量等方面應(yīng)用較為廣泛。但由于在惡劣天氣下無法獲得比較好測(cè)量結(jié)果，在對(duì)天氣的適應(yīng)性要提高的要求下，這就限制了其在汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)的應(yīng)用【18】。1.2.3激光測(cè)距激光是指通過受激輻射而產(chǎn)生放大的光，它具有單色性好、功率高、發(fā)散度小、相干性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。激光測(cè)距的工作原理是：對(duì)目標(biāo)發(fā)射出一束激光，由光電元件接收目標(biāo)發(fā)射回來的激光束，通過發(fā)射和接收反射回來的激光之間的時(shí)間間隔確定與目標(biāo)之間的距離。如：以Nd:YAG為器件的固體脈沖激光測(cè)距機(jī)、美國AN/VQ一25型機(jī)載激光測(cè)距機(jī)【12】。由于激光具有良好的單色性

10、和方向性，與毫米波、紅外、超聲波等測(cè)距方法相比，激光測(cè)距具有方向性好、測(cè)距精度高、測(cè)程遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)【12】。但在汽車主動(dòng)防撞技術(shù)領(lǐng)域還是具有較大的局限性：激光測(cè)距方式受天氣狀態(tài)、汽車的震動(dòng)及反射鏡表面磨損、污染等因素影響較大, 測(cè)距精度難以保證【2】；激光若是使用在汽車主動(dòng)防撞領(lǐng)域，則需保證激光的能量在安全范圍內(nèi)，避免對(duì)人眼造成影響。所以，在汽車主動(dòng)防撞領(lǐng)域激光測(cè)距方法受到限制。1.2.4視頻成像（CCD）測(cè)距CCD（Charge-coupled Device）是一種固體成像半導(dǎo)體器件，通過在CCD上植入微小光敏物質(zhì)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)

11、，廣泛的應(yīng)用于國防、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。視頻成像測(cè)距技術(shù)主要以單目CCD攝像機(jī)觀測(cè)被測(cè)物體或障礙物的移動(dòng)為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)圖像處理方法對(duì)被測(cè)物或障礙物經(jīng)行圖形定位并計(jì)算出被測(cè)物的實(shí)時(shí)面積，通過被測(cè)物圖形面積的大小變化實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。如：意大利的 MOB-LAB 智能車輛，它使用安裝在車前的攝像機(jī)來采集相關(guān)道路信息，并計(jì)算出車輛之間應(yīng)該保持的安全距離，用4個(gè)LED指示燈來提醒駕駛員當(dāng)前車輛所處的位置【21】。由于線陣CCD靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、線性好，特別是精度高、測(cè)量范圍大和非接觸測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)使得其在距離測(cè)量領(lǐng)域顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性能【24】。視頻成像測(cè)距技術(shù)采用視覺方式，便于視覺化、立體

12、化，在交通、智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有較大的發(fā)展空間。但由于成本高、對(duì)外界環(huán)境敏感等因素，使得該技術(shù)在汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)中得不到全面的應(yīng)用【9】。1.2.5毫米波雷達(dá)測(cè)距毫米波雷達(dá)是指工作在毫米波波段的雷達(dá)，工作頻率通常在30-300GHz范圍內(nèi)。毫米波波長(zhǎng)介于厘米波和光波之間，因此兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的有點(diǎn)。毫米波雷達(dá)最早從40年代初開始研制，由于其搞分辨率、穿透能力強(qiáng)、全天候（大雨天氣除外）全天時(shí)、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于軍事、國防、航空航天領(lǐng)域。毫米波雷達(dá)測(cè)距主要是通過雷達(dá)模塊發(fā)射毫米波和接收障礙物或目標(biāo)反射毫米波之間的時(shí)延和多普勒效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)距離和速度的測(cè)量。毫米波測(cè)距雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)、

13、運(yùn)行可靠、測(cè)量性能受天氣等外界因素的影響較小,可以獲得主車與目標(biāo)車輛間距離、相對(duì)速度,有些雷達(dá)還可獲得相對(duì)方位角和以及相對(duì)加速度等信息【8】。因此，廣泛的應(yīng)用于交通監(jiān)控、距離測(cè)量、火車運(yùn)行、智能駕駛、導(dǎo)航等領(lǐng)域。根據(jù)測(cè)距原理的不同，毫米波測(cè)距雷達(dá)分為脈沖體制雷達(dá)和連續(xù)波體制雷達(dá)兩種【14】。脈沖雷達(dá)主要通過測(cè)量發(fā)射和接收到的脈沖電磁波的時(shí)間間隔，根據(jù)這個(gè)延時(shí)時(shí)間得到目標(biāo)的距離信息，多普勒頻率測(cè)量目標(biāo)的徑向速度以及方位角仰角等信息。但是脈沖雷達(dá)的距離分辨率受到脈沖寬度的限制，一般來說適合遠(yuǎn)距離探測(cè)；當(dāng)目標(biāo)距離很近時(shí)，發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間間隔很小，這就要采用高速信號(hào)處理技術(shù)，使得近距離脈沖

14、雷達(dá)系統(tǒng)變得非常復(fù)雜，成本增加，這就限制了其在汽車主動(dòng)防撞技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。連續(xù)波體制又分為恒頻連續(xù)波（CW）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）等多種方式【1】。其中恒頻連續(xù)波只能通過多普勒效應(yīng)測(cè)速；頻移鍵控雖然能測(cè)距和測(cè)速，但難以測(cè)量多個(gè)目標(biāo)；相移鍵控方式比較適用于速度和距離分辨率低的情況；調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)通過對(duì)連續(xù)波進(jìn)行調(diào)頻，并比較發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)，得到與被測(cè)物之間成比例的頻率差，實(shí)現(xiàn)測(cè)距，利用多普勒效應(yīng)確定物體的相對(duì)速度【9】。1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀隨著毫米波技術(shù)的成熟與發(fā)展，毫米波雷達(dá)技術(shù)在汽車防撞領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，已經(jīng)從單一的車間距監(jiān)控、報(bào)警前視雷達(dá)發(fā)展到

15、具有多目標(biāo)識(shí)別和自動(dòng)巡航控制主動(dòng)防撞系統(tǒng)【1】。近年來，以毫米波雷達(dá)為測(cè)距技術(shù)方案的汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)成為國際上研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。美國、日本和歐洲多家著名汽車公司投入巨額資金，先后研制成功了24GHz，60GHz，76.5GHz3種頻率的汽車防撞毫米波雷達(dá)系統(tǒng)【5】【6】。(1)1993年美國Ford汽車公司和Eaton公司共同開發(fā)了一款汽車主動(dòng)防撞雷達(dá)系統(tǒng)EVT-300。EVT-300防撞雷達(dá)系統(tǒng)是目前商業(yè)界運(yùn)用最成功的主動(dòng)防撞雷達(dá)系統(tǒng)之一。該系統(tǒng)中雷達(dá)工作在24.725GHz，可探測(cè)和分辨前方110m距離內(nèi)的20個(gè)目標(biāo)，并只對(duì)與自身車輛處于同一車道上的危險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行報(bào)警，測(cè)試表明該系統(tǒng)可使追尾

16、碰撞事故發(fā)生率減少55%，是低成本與高可靠性的典范【15】。(2)1997年德國Benz公司設(shè)計(jì)了一款榮獲德國工業(yè)革新獎(jiǎng)的汽車?yán)走_(dá)主動(dòng)防撞系統(tǒng)：速度-距離控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FMCW雷達(dá)體制，雷達(dá)工作在76GHz頻率。速度-距離控制系統(tǒng)最大作用距離150m；可同時(shí)跟蹤30個(gè)目標(biāo)；可以自動(dòng)執(zhí)行剎車或變速實(shí)現(xiàn)智能化控制；但該系統(tǒng)只考慮行駛速度小于或等于自身車速的目標(biāo)【7】。(3)日本Toyota公司與Denso公司、Mitsubishi公司共同開發(fā)的電子掃描式毫米波(electronically scanning MMW)雷達(dá)主動(dòng)防撞系統(tǒng)采用FMCW測(cè)距方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾性能強(qiáng)、目標(biāo)識(shí)別的

17、性能優(yōu)越等特點(diǎn)【30】。該系統(tǒng)是世界上第一款使用相控陣技術(shù)的車用防撞雷達(dá)系統(tǒng)。(4)瑞典Celsius Tech電子公司研制了一款適用于高速公路的自適應(yīng)智能駕駛控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用FMCW雷達(dá)，工作頻率77GHz。自適應(yīng)駕駛控制系統(tǒng)通過預(yù)先設(shè)定自身車輛速度和與前方車輛的相對(duì)距離和相對(duì)速度，當(dāng)車輛在高速公路行駛過程中與前方車輛過近或是速度差距過大，系統(tǒng)將自動(dòng)提示司機(jī)減速；當(dāng)兩車之間相對(duì)距離和速度回復(fù)到預(yù)定范圍后，系統(tǒng)提示司機(jī)可按原速行駛【18】。(5) 英國勞倫斯電子公司和德國Benz公司聯(lián)合研制的FMCW體制的雷達(dá)防撞系統(tǒng).。該系統(tǒng)工作在35GHz，性能穩(wěn)定；能探測(cè)到150m內(nèi)的車輛距離，通過

18、信號(hào)處理系統(tǒng)能夠計(jì)算出車輛的距離和相對(duì)速度，根據(jù)自身車輛速度相應(yīng)計(jì)算出與目標(biāo)車輛之間的安全距離【20】。(6) 德國Benz公司研制的距離自動(dòng)控制雷達(dá)，能夠在40-160公里時(shí)速范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)車速，還可以根據(jù)時(shí)速確定自車與前車的距離，一旦距前車太近，自車就能夠自動(dòng)減速以避免追尾碰撞【22】。(7)美國TRW公司研制的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，雷達(dá)工作頻率77GHz，采用了先進(jìn)的MMIC技術(shù)【16】。該系統(tǒng)最大作用距離150m，在行駛過程中，系統(tǒng)自動(dòng)控制車速，確保與前方車輛之間的在安全車距范圍。我國由于受到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展水平的影響，毫米波汽車防撞雷達(dá)研究相對(duì)滯后，目前正處于研究階段【3】【5】【6】。

19、隨著應(yīng)用需求的增加，近年來對(duì)40GHz以下的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)研究取得了一些較好的成果：西安電子科技大學(xué)、國防科技大學(xué)、華中理工大學(xué)等院校和研究所采用FMCW體制對(duì)汽車主動(dòng)防撞雷達(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)后期信號(hào)處理進(jìn)行了一系列研究，為我國汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的研制做出了較大的貢獻(xiàn)【15】。廣西大學(xué)和華中理工大學(xué)共同研制的LFMCW雷達(dá)體制的汽車防撞系統(tǒng)：工作頻率35GHz，測(cè)距范圍100m；科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所研制的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)：工作頻率35GHz，測(cè)距范圍超過100m，測(cè)速范圍超過100km/h；江蘇賽博電子有限公司與大專院校合作研制的38GHz汽車主動(dòng)防撞雷達(dá)系統(tǒng)，能夠?qū)?0個(gè)目標(biāo)經(jīng)行監(jiān)控，通過判斷其距離

20、和速度數(shù)據(jù)識(shí)別潛在危險(xiǎn)目標(biāo)【30】。總體而言，我國應(yīng)用于汽車點(diǎn)在的的雷達(dá)產(chǎn)品主要以超聲波和激光方式為主，對(duì)毫米波防撞雷達(dá)和毫米波主動(dòng)防撞雷達(dá)系統(tǒng)的的研究和開發(fā)起步較晚，毫米波雷達(dá)產(chǎn)品不多【4】。目前，尚停留在毫米波倒車?yán)走_(dá)及其相關(guān)系統(tǒng)的研制和生產(chǎn)層面，眾多汽車廠商和科研院校對(duì)對(duì)前向探測(cè)雷達(dá)及其主動(dòng)防撞系統(tǒng)還處理探索研究階段，并未實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化【20】。因此，對(duì)基于毫米波雷達(dá)的汽車主動(dòng)防撞系統(tǒng)的研究具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。1.4本文主要工作內(nèi)容本文依據(jù)南車電氣設(shè)備有限公司提供的火車對(duì)接測(cè)距應(yīng)用要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于雷達(dá)測(cè)距的火車對(duì)接測(cè)距系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上采用電機(jī)模擬火車速度的控制。具體內(nèi)容如下： 第一章

21、介紹了主動(dòng)防撞系統(tǒng)的研究背景、意義;測(cè)距、測(cè)速技術(shù)以及FMCW體制毫米波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第二章主要介紹了毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的整體方案,包括毫米波雷達(dá)的選型、FMCW雷達(dá)體制的測(cè)距測(cè)速的相關(guān)原理以及控制芯片的選型等等。第三章詳細(xì)的介紹了基于FMCW雷達(dá)測(cè)距的火車對(duì)接控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。第四章主要介紹了基于FMCW雷達(dá)測(cè)距的火車對(duì)接控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)和信號(hào)處理算法的仿真實(shí)現(xiàn)。第五章簡(jiǎn)單描述了整機(jī)系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試。第六章對(duì)全文經(jīng)行簡(jiǎn)單的總結(jié)以及未來工作的展望。1.5本章小結(jié)本章簡(jiǎn)單介紹了主動(dòng)防撞系統(tǒng)的研究背景和研究意義；闡述了汽車主動(dòng)防撞技術(shù)領(lǐng)域的測(cè)距測(cè)速技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)；并

22、介紹了目前國內(nèi)外在毫米波雷達(dá)主動(dòng)防撞技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。最后對(duì)本文的工作內(nèi)容和全文結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。 第二章 火車精確對(duì)接控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)火車對(duì)接控制系統(tǒng)是以毫米波雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速為基礎(chǔ)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量、監(jiān)控火車對(duì)接過程中火車頭與對(duì)接車廂之間的距離和相對(duì)速度，當(dāng)兩車之間距離或速度達(dá)到預(yù)設(shè)范圍后，火車對(duì)接控制系統(tǒng)則向司機(jī)發(fā)出警報(bào)，使司機(jī)做出及時(shí)的反應(yīng)，同時(shí)用電機(jī)模擬火車速度控制，根據(jù)行駛情況自動(dòng)剎車或減速。通過該系系統(tǒng)，減少對(duì)接過程中的人力物力投入，以及預(yù)防對(duì)接過程中的人為失誤造成的意外事故，實(shí)現(xiàn)安全智能對(duì)接過程。系統(tǒng)測(cè)距技術(shù)指標(biāo)：（1）測(cè)距范圍：1m-50m，除被測(cè)物外，不受其他障礙物干

23、擾（2）測(cè)距精度：（3）測(cè)距時(shí)間：小于80ms2.1 FMCW體制雷達(dá)介紹FMCW體制雷達(dá)由壓控震蕩器（VCO）、雙工器、天線和接收機(jī)等幾大部分組成，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1.1 FMCW體制雷達(dá)結(jié)構(gòu)FMCW雷達(dá)采用雙工器，收發(fā)共用一組天線，保證雷達(dá)工作在連續(xù)波模式。雷達(dá)工作時(shí)，外部調(diào)制信號(hào)對(duì)VCO進(jìn)行頻率調(diào)制，通過天線向目標(biāo)發(fā)射一系列的連續(xù)調(diào)頻毫米波，并接收其回波信號(hào)。由于發(fā)射信號(hào)的頻率是時(shí)間的函數(shù),在雷達(dá)到目標(biāo)間往返傳播的時(shí)間內(nèi),發(fā)射信號(hào)的頻率已經(jīng)發(fā)生變化,于是導(dǎo)致回波信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)頻率不同,二者的差值與雷達(dá)到目標(biāo)間的距離、速度、方向等有關(guān),測(cè)定頻率差,便可得到雷達(dá)到目標(biāo)的距離、距離變化

24、率（徑向速度）、方位、高度等信息【31】。2.1.1FMCW體制雷達(dá)特點(diǎn)FMCW體制雷達(dá)系統(tǒng)與傳統(tǒng)脈沖雷達(dá)系統(tǒng)以及其他連續(xù)波體制雷達(dá)系統(tǒng)相比，有以下幾個(gè)有點(diǎn)【17】：（1）FMCW體制雷達(dá)工作時(shí)峰值功率低、頻率范圍很寬，具有較高的頻率分辨率；（2）FMCW體制雷達(dá)采用一體化集成組件，采用FMCW體制雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低；（3）FMCW體制雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)工作，且發(fā)射信號(hào)的時(shí)寬大于回波時(shí)延，因此不存在距離盲區(qū)；（4）FMCW體制雷達(dá)信號(hào)處理簡(jiǎn)單，直接對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析即可獲得距離、速度以及方向等信息；（5）FMCW體制雷達(dá)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，具備良好的電子對(duì)抗(ECCM)性能

25、。2.1.2 FMCW體制雷達(dá)測(cè)距測(cè)速原理調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)一般采用三角波或鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)，與壓控振蕩器進(jìn)行頻率。當(dāng)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)用于探測(cè)靜止物體時(shí)（即靜態(tài)物體到傳感器之間的距離），信號(hào)的干擾主要來源于多普勒效應(yīng)，因?yàn)殇忼X波抗干擾性能優(yōu)于三角波，因此在探測(cè)靜止物體時(shí)一般采用鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)。在探測(cè)過程中發(fā)射信號(hào)和接收目標(biāo)回波信號(hào)之間只產(chǎn)生頻率的延時(shí)效應(yīng)，即同一時(shí)刻的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的頻率差異（調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)輸出中頻信號(hào)）由時(shí)延引起的。鋸齒波調(diào)制的FMCW信號(hào)是一個(gè)起始頻率（載頻頻率）為，調(diào)頻重復(fù)周期為，調(diào)頻斜率為k，掃頻帶寬為B的線性調(diào)頻信號(hào)。如圖2與圖3所示，受鋸齒波調(diào)制的FMCW信

26、號(hào)其發(fā)射波形幅度是固定不變的，而其頻率在時(shí)域按照鋸齒波呈現(xiàn)出線性變化的方式，目標(biāo)回波信號(hào)是一個(gè)與發(fā)射信號(hào)有延時(shí)的復(fù)制波形。圖3 鋸齒波FMCW發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)在圖3中，表示發(fā)射波形與R處目標(biāo)回波延時(shí)，R表示目標(biāo)距離，c表示電磁波傳輸?shù)乃俣龋ü馑伲?，一般情況下。當(dāng)目標(biāo)靜止時(shí),由于不存在多普勒效應(yīng)，所以雷達(dá)的接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的瞬時(shí)頻率之差幾為一個(gè)常數(shù)，并且與目標(biāo)的距離成正比，可以得到： （1）式(1)中各參量的物理意義同前所述。以上的分析雖然是建立在目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)的基礎(chǔ)之上，但是通過分析可以發(fā)現(xiàn),接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的頻差載有目標(biāo)的距離信息與頻率信息；只要能測(cè)出這種頻差，也就可以計(jì)算得

27、到目標(biāo)的距離信息等我們感興趣的量?！?0】 當(dāng)FMCW雷達(dá)同時(shí)探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的瞬時(shí)速度和相對(duì)距離時(shí)，由于即存在多普勒效應(yīng)又存在時(shí)延效應(yīng)，即同一時(shí)刻的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的頻率差異（調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)輸出中頻信號(hào)）由時(shí)延和多普勒效應(yīng)共同引起的，因此在探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)選用三角波信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。此時(shí)差頻信號(hào)中的距離信息，有多普勒效應(yīng)和時(shí)間延時(shí)效應(yīng)疊加反應(yīng)圖4 經(jīng)三角波調(diào)制的FMCW雷達(dá)發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)間相關(guān)曲線如上圖所示，實(shí)線為發(fā)射信號(hào)，虛線為接收信號(hào)。延時(shí)效應(yīng) 將導(dǎo)致兩個(gè)信號(hào)在X軸（時(shí)間軸）上，產(chǎn)生一個(gè)t的差值，t即為回波信號(hào)相較于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間延遲。由t進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差頻信號(hào)delay，delay

28、即為某一時(shí)刻回波信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)頻率的差值，原因是傳感器在同一時(shí)刻的發(fā)射頻率已經(jīng)發(fā)生變化。由第3節(jié)中公式(2)可得delay (3)多普勒效應(yīng) 將導(dǎo)致接收信號(hào)在Y軸（頻率軸）上，產(chǎn)生一個(gè)多普勒頻移Dopp 。由第1節(jié)中公式(1)可得Dopp20cos (4)為簡(jiǎn)化公式，令角度=0，即目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)傳感器作徑向運(yùn)動(dòng)，則公式(6)可簡(jiǎn)化為Dopp20 (5)由圖4我們可以看出，在升坡階段，時(shí)間延遲效應(yīng)與多普勒效應(yīng)相互抵消；在降坡階段，這兩種效應(yīng)疊加。由此可計(jì)算出在三角調(diào)制信號(hào)的升坡階段傳感器輸出信號(hào)diff_up ，及降坡階段的輸出信號(hào)diff_down ：diff_up Doppdelay (

29、A)diff_downDoppdelay (B)(A) (B) 可得：diff_updiff_down2Dopp (C)將公式(C)帶入公式(7)可得速度公式：v (6) (B) (A) 可得：diff_updiff_down2delay (D)將公式(D)代入公式(5)可得距離公式：R (7) 分析傳感器的輸出信號(hào)，得到diff_up和diff_down的信息，再由公式(8)和公式(9)，即可得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度和距離信息。2.1.4雷達(dá)調(diào)制信號(hào)由于在探測(cè)運(yùn)動(dòng)物體距離和速度過程中同時(shí)引入時(shí)延和多普勒效應(yīng)，涉及參量較多，增加了頻譜分析難度和算法處理難度。火車在對(duì)接過程中速度一般小于，火車接近對(duì)接

30、時(shí)速度更?。磺以诳垢蓴_性能方面鋸齒波調(diào)制明顯優(yōu)于三角波調(diào)制。因此，本文考慮采用FMCW雷達(dá)探測(cè)靜止目標(biāo)方案，選用鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)。在速度測(cè)量方面，由于測(cè)距樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求每次最小處理時(shí)間小于80ms，即80ms通過串口輸出一次數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^取兩次處理距離差除以處理時(shí)間初略的到速度信息。2.2 FMCW體制雷達(dá)模塊的選取雷達(dá)模塊性能的好壞關(guān)系到后期處理的難易程度。目前常用的雷達(dá)工作頻段有：10.525GHzX波段，24 GHzK波段，35 GHzKa波段，77 GHzV波段。其中，24GHz是一個(gè)ISM規(guī)定的全球通用的一個(gè)雷達(dá)工作頻段，在此頻段上工作時(shí)干擾較小。因此本系統(tǒng)選用FMCW體制的24G

31、Hz雷達(dá)。IVS系列雷達(dá)是由德國Innosent公司生產(chǎn)的24GHz微波雷達(dá)傳感器，采用世界上最先進(jìn)的平面微帶技術(shù)，具有體積小、集成化程度高、感應(yīng)靈敏等特點(diǎn)；雷達(dá)傳感器多工作于CW和FMCW模式，產(chǎn)品的功能應(yīng)用多樣，包括：探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度，辨別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方向，并且尤其適用于探測(cè)靜態(tài)目標(biāo)或動(dòng)態(tài)目標(biāo)的距離信息。其中IVS-167 由于天線角度十分特殊方位角和仰角角度一致，在探測(cè)時(shí)，可以更有效的避免能量衰減，特別適于做物位和液位探測(cè)。但其內(nèi)部未內(nèi)置放大濾波電路，使其中頻信號(hào)中混雜有泄漏調(diào)制信號(hào)，輸出信噪比較低，硬件上和軟件上難以達(dá)到預(yù)期的濾波效果。IVS-179雷達(dá)內(nèi)置放大濾波電路，其輸出信噪比高，廣

32、泛的應(yīng)用于交通監(jiān)測(cè)，體育運(yùn)動(dòng)，智能控制等各個(gè)領(lǐng)域?？紤]遠(yuǎn)距離信號(hào)的強(qiáng)弱及信號(hào)處理的難易程度，本系統(tǒng)選取內(nèi)置放大濾波的IVS-179雷達(dá)，減少硬件電路濾波的難度，便于后期的算法處理，處理精度的提高。IVS179雷達(dá)工作原理如圖所示：圖1 雷達(dá)工作原理圖當(dāng)雷達(dá)模塊工作時(shí)，調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)和壓控振蕩器（VCO）調(diào)頻，有VCO輸出一個(gè)頻率為的調(diào)頻發(fā)射信號(hào)。其中一路發(fā)射信號(hào)經(jīng)過天線發(fā)射出去，一路又分流成兩路進(jìn)入到I（同相輸出）、Q（正交輸出）通道所在的混頻器中和接收天線接收到的經(jīng)過低噪放大處理的回波信號(hào)混頻得到兩路中頻信號(hào)，混頻后的兩路中頻信號(hào)在經(jīng)過濾波放大處理最終分別由I、Q通道輸出，輸出的中頻

33、信號(hào)中均攜帶有探測(cè)目標(biāo)的距離、速度、方向等信息。其中流入Q通道的頻率為的發(fā)射信號(hào)在混頻前事先經(jīng)過90度移相處理。因此，只需分析I或Q通道輸出的中頻信號(hào)即可得到相應(yīng)的距離、速度、方向等信息。2.3系統(tǒng)整體方案通過對(duì)國內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)的測(cè)距防撞報(bào)警系統(tǒng)經(jīng)行研究發(fā)現(xiàn)，防撞系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)一般有一下幾類：基于ARM架構(gòu)【36】、基于單片機(jī)架構(gòu)【37】、基于FPGA架構(gòu)【34】、基于CPLD架構(gòu)【32】【33】、基于DSP架構(gòu)【35】以及雙處理器的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)，如FPGA+DSP 體系的防撞系統(tǒng)【38】、DSP+ARM架構(gòu)體系【39】等。 考慮到火車對(duì)接控制系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)測(cè)距測(cè)速功能又要實(shí)現(xiàn)速度的控制功能以及系

34、統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，單處理器難以滿足要求。因此，硬件平臺(tái)采用目前國際上普遍使用的雙處理器架構(gòu)：FPGA+DSP架構(gòu)體系。即：微控制器+數(shù)字信號(hào)處理器。雷達(dá)傳感器選用德國Innosent公司生產(chǎn)的24GHzFMCW體制微波雷達(dá)IVS179，采用鋸齒波調(diào)制。系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：（1）調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路（1）信號(hào)采集模塊（2）中頻信號(hào)處理模塊（3）速度控制模塊（4）電源模塊調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路主要產(chǎn)生一個(gè)周期性的鋸齒波信號(hào)；信號(hào)采集模塊包含雷達(dá)傳感器、中頻信號(hào)放大濾波（抗混疊）、中頻信號(hào)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞讉€(gè)部分；中頻信號(hào)處理模塊主要由DSP實(shí)現(xiàn)測(cè)距測(cè)速算法以及通信報(bào)警功能；速度控制模塊主要FPGA對(duì)

35、電機(jī)的控制模擬火車對(duì)接過程；電源模塊主要給FPGA、DSP以及雷達(dá)傳感器以及外面電路供電。系統(tǒng)整體框圖如下：圖3雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)整體框圖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路輸出幅度固定、頻率可調(diào)的鋸齒波作為雷達(dá)模塊的調(diào)制信號(hào)，其頻率的變化通過DSP反饋回來的距離信息確定。雷達(dá)模塊經(jīng)過調(diào)制后，輸出包含距離、距離變化率（徑向速度）、方位高度等信息的差頻信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行放大濾波（抗混疊）、AD采集后，通過FPGA發(fā)送給DSP，最后由DSP對(duì)雷達(dá)輸出的差頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析處理，從中提取出距離信息和速度信息；一方面DSP通過485串口將距離信息發(fā)送給上位機(jī)，另一方面反饋給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)實(shí)時(shí)距離信息控制電機(jī)速度

36、，模擬火車對(duì)接控制過程。具體的硬件電路設(shè)計(jì)與詳細(xì)方案和軟件算法程序設(shè)計(jì)將在第三章和第四章詳細(xì)描述。2.5本章小結(jié)本章主要介紹了基于雷達(dá)測(cè)距的火車對(duì)接精確控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方案，包括FMCW雷達(dá)測(cè)距測(cè)速原理介紹、雷達(dá)傳感器的選取、系統(tǒng)架構(gòu)體系的確定，以及系統(tǒng)整體方案幾個(gè)部分。第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，合理、有效的硬件電路設(shè)計(jì)，為充分發(fā)揮控制芯片的的處理能力提供良好的條件，而不良的硬件設(shè)計(jì)，輕者造成系統(tǒng)出錯(cuò)，嚴(yán)重的情況下造成硬件損壞，從而影響系統(tǒng)的可靠性。第二章已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了討論，本章將對(duì)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案和硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述。3.1硬件平

37、臺(tái)搭建根據(jù)測(cè)距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)采用雙處理器結(jié)構(gòu)，以FPGA和DSP為系統(tǒng)核心進(jìn)行硬件平臺(tái)搭建。其中FPGA主要負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)控制模塊進(jìn)行控制，DSP主要負(fù)責(zé)算法處理和數(shù)據(jù)通信。其他電路模塊調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路、信號(hào)采集模塊、中頻信號(hào)處理模塊、速度控制模塊、電源模塊等圍繞FPGA和DSP進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。3.1.1 控制芯片選型目前市場(chǎng)上主要的DSP廠商有TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI占有最大市場(chǎng)份額。TI公司的產(chǎn)品包括從低端的低成本低速度DSP到高端大運(yùn)算量的DSP產(chǎn)品，TI的三大主力DSP產(chǎn)品：C2000系列、C5000系列、C6000系列。同一系列中不同

38、型號(hào)的DSP一般都具有相同的DSP核，相同或兼容的匯編指令系統(tǒng)；而它們的差別僅在于片內(nèi)存儲(chǔ)器的大小，外設(shè)資源(如定時(shí)器、串口、并口等)的多少。（1）C2000系列: C2000系列是一個(gè)控制器系列，全部為16位定點(diǎn)DSP。該系列中的一些型號(hào)具有片內(nèi)FLASH RAM，如TMS320F24x，TMS320LF240x等。TI所有DSP中，也只有C2000有FLASH。作為控制器，C2000系列除了有一個(gè) DSP核以外，還有大量的外設(shè)資源，如A/D、定時(shí)器、各種串口(同步或異步)、WATCHDOG、CAN總線、PWM發(fā)生器、數(shù)字IO腳等等。特別是 C2000的異步串口可以與PC的UART相連，也是

39、TI所有DSP中唯一具有異步串口的系列。（2）C5000系列:C5000系列是一個(gè)定點(diǎn)低功耗系列，特別適用于手持通訊產(chǎn)品做信號(hào)處理，如手機(jī)、PDA、GPS等。目前的處理速度一般在80MIPS一400MIPS。 C5000系列主要分為C54xx和C55XX兩個(gè)系列。C5000包含的主要外設(shè)有McBPS同步串口，HPI并行接口，定時(shí)器，DMA等。其中C55XX提供EMIF外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口，允許用戶直接使用SDRAM、SBSRAM、SRAM、EPROM等各種存儲(chǔ)器。C5000系列一般都提供PGE封裝，便于PCB板的制作。 （3）C6000系列:C6000系列是一個(gè)32位的高性能的DSP芯片，一般用

40、在大型圖像處理方面。目前處理速度從800MIPS一2400MIPS，而且還在不斷提高。其中，C62XX為定點(diǎn)系列，C67XX和C64XX為浮點(diǎn)系列。同C55XX一樣，C6000也提供EMIF擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口，方便用戶使用各種外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，如SBSRAM、 SDRAM、SRAM、EPROM。C6000提供的主要外設(shè)有McBPS同步串口，HPI并行接口，定時(shí)器，DMA等。另外，在C6000的一些型號(hào)中還提供了PCI接口。但C6000幾乎都只提供BGA球形封裝，在PCB板制作時(shí)需要多層板，增加了開發(fā)和調(diào)試的難度。另外，C6000系列的功耗較大，需要仔細(xì)考慮DSP與系統(tǒng)其他部分的電力分配，選擇適當(dāng)?shù)腄

41、CDC轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)中選用適用于手持通訊產(chǎn)品做信號(hào)處理的TMS320VC5509A，該款DSP芯片是C55系列一款典型的低功耗16位定點(diǎn)處理器，最大工作時(shí)鐘為，性價(jià)比高。在VC5509A中繼承了一個(gè)C55系列內(nèi)核，位偏上RAM存儲(chǔ)器，并具備最大位的外部尋址空間，片山還集成了USB總線、McBSP和等外部接口。但由于C5500系列內(nèi)部沒有再帶RAM存儲(chǔ)空間，故一般情況下須DSP外圍添加外部FLASH，才能實(shí)現(xiàn)程序的下載和上電自舉。3.1.2 FPGA芯片選型目前市場(chǎng)上FPGA芯片主要來自Xilinx公司和Altera公司。這兩家公司占據(jù)了FPGA 80%以上的市場(chǎng)份額，其他的FPGA廠家產(chǎn)品主要

42、是針對(duì)某些特定的應(yīng)用。其中Altera的主流FPGA分為兩大類，一種側(cè)重低成本應(yīng)用，容量中等，性能可以滿足一般的邏輯設(shè)計(jì)要求，如Cyclone、CycloneII、CycloneII等；還有一種側(cè)重于高性能應(yīng)用，容量大，性能能滿足各類高端應(yīng)用，如Startix、StratixII等，用戶可以根據(jù)自己實(shí)際應(yīng)用要求進(jìn)行選擇。在性能可以滿足的情況下，優(yōu)先選擇低成本器件。Cyclone FPGA是第一款低成本FPGA。對(duì)于當(dāng)今需要高級(jí)功能以及極低功耗的設(shè)計(jì)，可以考慮密度更高的Cyclone IV和Cyclone III FPGA。這些更新的Cyclone系列將繼續(xù)為您的大批量、低成本應(yīng)用提供業(yè)界最好的

43、解決方案。Cyclone II FPGA從根本上針對(duì)低成本進(jìn)行設(shè)計(jì)，為大批量低成本應(yīng)用提供用戶需要的各種功能。Cyclone II FPGA以相當(dāng)于ASIC的成本實(shí)現(xiàn)了高性能和低功耗。Cyclone III FPGA前所未有地幫助您同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低成本、高性能和最佳功耗，進(jìn)一步擴(kuò)展了FPGA在成本敏感、大批量領(lǐng)域中的應(yīng)用。Cyclone III FPGA系列采用臺(tái)積電(TSMC)的低功耗工藝技術(shù)制造，以相當(dāng)于ASIC的價(jià)格實(shí)現(xiàn)了低功耗。本系統(tǒng)中FPGA選用144引腳的高性能低功耗Cyclone II系列：EP2C5T144，最大限度地利用FPGA引腳資源。該款芯片在300毫米晶圓基礎(chǔ)上采用TSMC

44、領(lǐng)先90nm的低電介工藝技術(shù)生產(chǎn)，功耗只有競(jìng)爭(zhēng)低成本90nm的FPGA的一半，大大降低了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗。Cyclone II系列提供多大68416個(gè)邏輯單元（LE），內(nèi)部的邏輯資源可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用；提供對(duì)多150個(gè)比特乘法器，能夠?qū)崿F(xiàn)通用DSP功能，如FIR濾波、FFT等等。另外該款芯片采用主流的M4K存儲(chǔ)器塊，提供多大1.1Mbit的嵌入式存儲(chǔ)器，可以支持配置為廣泛的操作模式，寶貨RAM、ROM。FIFIO緩存器以及單端口和雙端口模式等。同樣，需外部添加FLASH存儲(chǔ)芯片以便程序的下載和上電自舉。3.2 DSP最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計(jì) DSP最小系統(tǒng)就是滿足DSP運(yùn)行的最小硬件系統(tǒng)，任何一個(gè)

45、DSP硬件系統(tǒng)中都必須包含最小系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，最小系統(tǒng)有電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、JTAG接口電路和程序加載部分組成。3.2.1DSP模塊電源設(shè)計(jì)TMS320VC5509A數(shù)字信號(hào)處理器電源包括內(nèi)核電源和外部接口電源，其他外部接口電源為3.3V，內(nèi)科電源為1.6V。由于C55系列的DSP多用于低功耗場(chǎng)合，因此，電源電路的設(shè)計(jì)應(yīng)注意電源的轉(zhuǎn)換效率和電路的復(fù)雜程度。因此，高效的DC-DC轉(zhuǎn)換電路則十分適用這種場(chǎng)合。TPS73HD301是一款雙輸出低壓降線性穩(wěn)壓器，能夠提供的連續(xù)電流輸出。一個(gè)電壓輸出端口能夠輸出3.3V電壓，另一個(gè)輸出端口輸出電壓可調(diào)，通過設(shè)置和的電阻可自動(dòng)調(diào)制輸出電壓。在

46、本應(yīng)用中取、，使的輸出電壓可調(diào)端口輸出1.6內(nèi)核供電電壓。圖3.1給出了采用TPS73HD301實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換的電路原理圖。圖3.1 TPS73HD301 DC-DC轉(zhuǎn)換電路3.2.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)在系統(tǒng)上電過程中，弱國電源電壓還沒有穩(wěn)定，這時(shí)DSP進(jìn)入工作狀態(tài)可能造成不可預(yù)知的后果，甚至引起硬件損壞，解決這個(gè)問題的方法是DSP在上電過程中保持復(fù)位狀態(tài)，因此上電復(fù)位電路在系統(tǒng)中是相當(dāng)重要的。其作用是保證上電可靠，并在擁護(hù)需要時(shí)手工復(fù)位。下面給出了采用SN74LVC2G04構(gòu)建的DSP復(fù)位電路，該復(fù)位電路可以提供低輸入電壓保護(hù)、復(fù)位時(shí)間延遲和手工復(fù)位等功能。圖3.2 DSP復(fù)位電路3.2.3時(shí)

47、鐘電路設(shè)計(jì) TMS320VC5509A內(nèi)部具有鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)可以對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行倍頻和分頻，并將所產(chǎn)生的信號(hào)作為DSP的工作時(shí)鐘。其時(shí)鐘輸入信號(hào)可以采用兩種方式產(chǎn)生：第一種是采用外部晶振，利用內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。第二種時(shí)鐘輸入方式從X2/CLKIN引腳輸入時(shí)鐘信號(hào)，采用這種方式X1引腳必須懸空，必須保證輸入時(shí)鐘信號(hào)的信號(hào)過沖不能超過芯片范圍，否則鎖相環(huán)將可能運(yùn)行不正常，通過在線路中串聯(lián)電阻可以防止信號(hào)過沖。本系統(tǒng)中時(shí)鐘電路使用第一種方法：采用外部晶振，利用內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。圖3.3給出了采用內(nèi)部振蕩器的原理圖。圖3.3用外部晶振和內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生輸入時(shí)鐘3.2.4JATA接口電路

48、設(shè)計(jì)JTAG接口是DSP的調(diào)試接口，用戶可以使用JTAG接口完成程序的下載、調(diào)試和調(diào)試信息的輸出，通過該接口可以查看DSP的存儲(chǔ)器和寄存器等內(nèi)容，如果DSP接了非易失性存儲(chǔ)器，如FLASH，還可以通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)芯片的燒錄。圖3.4給出了JTAG接口電路的連接圖。圖3.4 JTAG接口電路3.2.5程序加載部分 TMS320VC5509A有多種程序加載方式：增強(qiáng)主機(jī)接口（EHPI）加載方式、并行外部接口（EMIF）夾在方式、標(biāo)準(zhǔn)串口加載方式以及支持外圍設(shè)備接口的SPI加載方式等多種加載方式。 程序的加載方式可以通過預(yù)置通用I/O口GPIO0-GPIO4引腳高低電平來選擇，表3-1給出了具體

49、的說明。表3-1 TMS320VC5509A加載方式BOOTM3:0加載方式0000或1000不加載00100111保留0001SPI加載（支持24位地址的SPI EEPROM）1001SPI加載（支持18位地址的SPI EEPROM）1010EMIF加載（8位寬外部異步存儲(chǔ)器）1011EMIF加載（16位寬外部異步存儲(chǔ)器）1100EMIF加載（32位寬外部異步存儲(chǔ)器）1101EHIP加載1110標(biāo)準(zhǔn)串口加載（McBSP0口，16為字寬）1111標(biāo)準(zhǔn)串口加載（McBSP0口，8為字寬）其中：BOOTM3對(duì)應(yīng)GPIO0，BOOTM2對(duì)應(yīng)GPIO3，BOOTM1對(duì)應(yīng)GPIO2，BOOTM0對(duì)應(yīng)GP

50、IO1。（1）并行外部存儲(chǔ)器（EMIF）加載并行外部存儲(chǔ)器加載是通過外部并行存儲(chǔ)器接口（External Memory Interface）加載程序。所用的外部存儲(chǔ)器可以是并行EPROM、EEPROM、Flash存儲(chǔ)器、FRAM等非易失性存儲(chǔ)器，也可以使SRAM、雙端口存儲(chǔ)器等易失性存儲(chǔ)器。通常使用的并行外部存儲(chǔ)器加載是將程序固化在非易失性存儲(chǔ)器上。使用并行外部存儲(chǔ)器加載的有點(diǎn)是不需要外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，非易失性存儲(chǔ)器種類多樣，容量較大、除了存儲(chǔ)表之外啊還可以存儲(chǔ)系統(tǒng)需要保存的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以便掉電時(shí)保存信息。這種下載方式的缺點(diǎn)是連線復(fù)雜，需考慮并行非易失性存儲(chǔ)器與EMIF接口的匹配關(guān)系。圖3.5給出了

51、采用8位異步存儲(chǔ)器的與DSP連接關(guān)系圖。圖3.5 8位異步存儲(chǔ)器加載連接關(guān)系（2）標(biāo)準(zhǔn)串口加載標(biāo)準(zhǔn)串口加載程序是指通過McBSP0（多通道緩存串口0）在標(biāo)準(zhǔn)串口模式下向DSP加載程序。該加載方式的有點(diǎn)是連接信號(hào)線較少，缺點(diǎn)是需要有外部產(chǎn)生幀同步信號(hào)和串行時(shí)鐘信號(hào)。該方式還需要外部邏輯向串行存儲(chǔ)器發(fā)出讀指令，無法做到無縫連接。此外該方式還固定占用McBSP0口。圖3.8是標(biāo)準(zhǔn)串口加載模式硬件連接關(guān)系圖。圖3.8標(biāo)準(zhǔn)串口加載模式硬件連接（3）串行外設(shè)接口（SPI）加載串行外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)（SPI）是Motorola公司剔除的一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)具有連接簡(jiǎn)單，控制方便等特點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)，Atme

52、l等公司研制了SPI口的EEPROM，而C55系列DSP也提供了SPI接口加載功能。SPI接口只用三根線即可完成串行數(shù)據(jù)傳輸，DSP作為住房控制SPI接口。這種加載方式不需要外部時(shí)鐘和外部邏輯，可以做到無縫連接。圖3.9是該方式的硬件連接圖。圖3.9SPI方式硬件連接（4）EHPI口加載程序 在許多系統(tǒng)中是往往是微控制器（MCU）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）聯(lián)合工作。微控制器作為主機(jī)主要其控制作用，而主機(jī)與DSP最直接的連接方式就是通過EHPI接口，通過該接口主機(jī)可以訪問DSP內(nèi)存而無需DSP干預(yù)。如果主機(jī)介入了DSP的EHPI口，則采用EHPI口加載方式是十分方便的。由于這種加載方式是由主機(jī)的

53、軟件控制，相比其他方式更加便利、靈活。本系統(tǒng)DSP程序加載部分采用連接簡(jiǎn)單，控制方便的SPI加載方式。串行Flash選用AT26DF321芯片，通過McBSP0模擬SPI模式進(jìn)行與AT26DF321之間數(shù)據(jù)收發(fā)。AT26DF321是一款低功耗串行接口的FLASH存儲(chǔ)器件，支持SPI模式0和模式3。AT26DF321專門設(shè)計(jì)用于3V系統(tǒng)，工作在2.7V至3.6V的電壓范圍內(nèi)，支持讀取，編程和擦除操作。在編程和擦除時(shí)，無需單獨(dú)供壓。 AT26DF321的擦除架構(gòu)極具靈活性，其擦除細(xì)度可小至4 Kbytes，這讓AT26DF321成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的理想選擇，并且無需額外的EEPROM器件。AT26DF3

54、21與DSP硬件連接如下圖所示。圖3.10 AT26DF321 SPI方式硬件連接3.2.6 485通信接口設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)針對(duì)具體應(yīng)用要求設(shè)計(jì)兩路485通信接口。485芯片選用具備15 kV ESD保護(hù)功能的完全集成式隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器：ADM2587。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖3.11所示。圖3.11 485通信接口電路3.3FPGA最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) FPGA最小系統(tǒng)包括：FPGA電源模塊、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、JTAG接口電路以及程序加載電路，最小系統(tǒng)原理框圖如下。圖3.12 FPGA最小系統(tǒng)原理框圖其中，電源電路采用ASM1117-3.3穩(wěn)壓芯片將5V直流電壓轉(zhuǎn)換為3.3VFPGA外核供電電壓，利用ASM1

55、117-ADJ穩(wěn)壓芯片將3.3V直流電壓轉(zhuǎn)換為1.2V內(nèi)核供電電壓；時(shí)鐘電路采用50M有源晶振為FPGA提供工作時(shí)鐘，有源晶振中包含有振蕩電路只需外加電源即可得到需要的振蕩波形，因?yàn)橛性淳д癫恍枰幚砥鞯膬?nèi)部振蕩器，信號(hào)質(zhì)量好，輸出比較穩(wěn)定。一般有源晶振的VCC端在電路中通常不直接接電源，而是通過濾波電路做好電源濾波，如圖3.13所示。圖3.13 FPGA時(shí)鐘電路FPGA的Cyclone系列器件有三類配置下載方式：主動(dòng)配置方式（AS）和被動(dòng)配置方式（PS）和最常用的(JTAG)配置方式。AS由FPGA器件引導(dǎo)配置操作過程，它控制著外部存儲(chǔ)器和初始化過程，EPCS系列.如EPCS1,EPCS4配

56、置器件專供AS模式，目前只支持Cyclone系列。使用Altera串行配置器件來完成。Cyclone期間處于主動(dòng)地位，配置期間處于從屬地位。配置數(shù)據(jù)通過DATA0引腳送入 FPGA。配置數(shù)據(jù)被同步在DCLK輸入上，1個(gè)時(shí)鐘周期傳送1位數(shù)據(jù)。PS則由外部計(jì)算機(jī)或控制器控制配置過程。通過加強(qiáng)型配置器件（EPC16，EPC8，EPC4）等配置器件來完成，在PS配置期間，配置數(shù)據(jù)從外部?jī)?chǔ)存部件，通過DATA0引腳送入FPGA。配置數(shù)據(jù)在DCLK上升沿鎖存，1個(gè)時(shí)鐘周期傳送1位數(shù)據(jù)。JTAG接口是一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn),主要用于芯片測(cè)試等功能,使用IEEE Std 1149.1聯(lián)合邊界掃描接口引腳，支持JAM STAPL標(biāo)準(zhǔn)，可以使用Altera下載電纜或主控器來完成。本系統(tǒng)FPGA下載部分采用AS下載模式，通過FPGA器件引導(dǎo)配置操作過程，串行Flash芯片選用EPCS。圖3.14為AS下載模式接口電路。ADS8322工作時(shí)序圖3.14 AS下載模式接口電路3.4 調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路主要為雷達(dá)提供一個(gè)幅度一定、頻率可調(diào)調(diào)制信號(hào)。當(dāng)雷達(dá)和