基于nRF24E1與TMC2023的汽車防撞系統(tǒng)

    摘要：介紹現(xiàn)今最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)；闡述信號(hào)處理當(dāng)中的相關(guān)運(yùn)算理論，并將該理論與以上述兩個(gè)芯片為核心的電路結(jié)合，用于汽車防撞系統(tǒng)當(dāng)中，增強(qiáng)汽車防撞系統(tǒng)的能力。

    關(guān)鍵詞：射頻收發(fā) 相關(guān)運(yùn)算 防撞系統(tǒng) nRF24E1 TMC2023

引 言

　　隨著時(shí)代的發(fā)展，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)，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。

圖1

　　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。它通常安裝在汽車上，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)及乘員提前發(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)急措施來應(yīng)付特殊險(xiǎn)情，避免損失。當(dāng)前，盡管各國都在研究防碰撞系統(tǒng)，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)，防撞系統(tǒng)若想有效地解決上述問題，必須使其具有如下功能，即：

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 設(shè)計(jì)出易于產(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，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 芯片特點(diǎn)介紹

   （1)相關(guān)運(yùn)算芯片TMC2032

　　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。該芯片是由美國TRW公司近年推出的單片64位CMOS全數(shù)字相關(guān)大規(guī)模集成電路。其內(nèi)部有3個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘的八位移位寄存器：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；1個(gè)七位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CMOS生產(chǎn)工藝，并行相關(guān)速率高達(dá)30Mbps以上；可廣泛用于同步、匹配濾波、誤碼檢測(cè)、記錄及條形碼識(shí)別等，尤其適合雷達(dá)信號(hào)的識(shí)別。

    (2)射頻收發(fā)芯片nRF24E1

　　nRF24E1是一種工作頻率可達(dá)到2.4GHz的無線射頻收發(fā)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1.9~3.6V之間的電壓下穩(wěn)定工作。其內(nèi)部還有電壓調(diào)整器和VDD電壓監(jiān)視，通道形狀時(shí)間小于200μs，數(shù)據(jù)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(tǒng)級(jí)芯片。無線收發(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(hào)對(duì)于處理器來講都可以作為中斷來編程，或者通過GPIO端口實(shí)現(xiàn)。nRF24E1是一個(gè)可以在世界公用的頻段范圍(2.4~2.5GHz)內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線通信的芯片。收發(fā)機(jī)包含1個(gè)完全集成的分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和2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，只有18mA，所以功耗相當(dāng)?shù)汀?/P>

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　 整套信息采集系統(tǒng)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(tǒng)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)，然后由其根據(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)射電路發(fā)出高頻電磁波，在發(fā)出之前，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)功能的電路就是功放電路。最后，把這樣的一個(gè)信號(hào)傳向空中。

　　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進(jìn)行識(shí)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(hào)進(jìn)一步傳給射頻接收部分。接收芯片通過這樣的電磁波在空中傳播而產(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)5 組射頻收發(fā)單元傳過來的距離信息作出計(jì)算，得知所測(cè)的障礙物與車的立體方位距離。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(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)算示例

　　由于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；而后面的則只需判斷出其與汽車的前后及左右距離即可。所以采取了車前面安裝三個(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；后面的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。圖3中，給出了用射頻收發(fā)系統(tǒng)計(jì)算障礙物距離的簡(jiǎn)單過程。

　　已知由S1、S2、S3、T1、T2、T3所組成的立體障礙物距離計(jì)算示意如圖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表示由E點(diǎn)到水平面的距離，F(xiàn)G代表障礙物到車頭的距離，AG表示障礙物到車一側(cè)的距離。我們要求的就是EF、FG及AG三個(gè)直線。解法如下：

    在△ABC中作 BD⊥AC，連接ED、FD，在△ABC中可求

    把已知數(shù)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

　　隨著射頻技術(shù)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)量距離又是很有限的；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，此汽車防撞系統(tǒng)設(shè)想了基于偽碼調(diào)制的射頻發(fā)射與接收系統(tǒng)。

　　隨機(jī)過程是白噪聲，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(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2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)特性等來描述偽隨機(jī)碼。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)2個(gè)時(shí)間函數(shù)X1(t)、X2(t)，則

    稱為X1(t)的自相關(guān)函數(shù)；

    稱為X1(t)和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。由于周期性信號(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，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)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。

5 總 結(jié)

　　本文成功地運(yùn)用了先進(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汽車防撞系統(tǒng)中始終困擾著相關(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。