曹永敏，姚亞峰*，陳海騰，李謀輝

(中國地質大學機械與電子信息學院，武漢430074)

基于TMS320F28335的雷達測速系統(tǒng)的設計*

曹永敏1，姚亞峰1*，陳海騰2，李謀輝3

(中國地質大學機械與電子信息學院，武漢430074)

為了改善雷達測速儀觸發(fā)相機的反應時間，提高測速精度，設計了一種以DSP芯片TMS320F28335為核心的雷達測速系統(tǒng)，通過DSP采集雷達信號，對車輛運動產(chǎn)生的多普勒頻率進行復數(shù)傅里葉變換并進行頻譜分析，利用目標相關算法自動檢測超速目標，發(fā)送目標超速狀態(tài)信息和及時的觸發(fā)信號，觸發(fā)圖片采集設備抓拍到有效的圖片。實驗結果分析，觸發(fā)相機反應時間大約90 ms，測速精度小于1 km/h。

雷達測速;多普勒效應;目標相關;復數(shù)傅里葉變換;TMS320F28335

雷達測速儀可以計算出目標與雷達的相對速度，現(xiàn)在廣泛用于交通超速測試，雷達測速主要利用多普勒效應原理，當目標向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射機頻率;反之，當目標遠離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射機率。如此即可借由頻率的改變數(shù)值，計算出目標車輛的行駛速度［1］。目前，國內(nèi)的一些廠家生產(chǎn)的雷達測速儀一般采用單片機進行數(shù)據(jù)信號處理［4］，或使用模擬濾波的方式，易受噪聲影響，測速精度低而且反應速度慢。如何提高測速精度和縮短反應時間，是雷達測速系統(tǒng)亟待解決的問題。

本文采用數(shù)字信號處理方法解決上述問題，設計以TMS320F28335［2-3］為核心的雷達測速控制系統(tǒng)。TMS320F28335在保持了原有的DSP芯片的同時，能夠執(zhí)行復雜的浮點運算，可以節(jié)省代碼執(zhí)行的時間和存儲空間，具有精度高，成本低，功耗小，外設集成度高，數(shù)據(jù)及程序存儲量大和A/D轉換更精確快速等優(yōu)點。使用TMS320F28335可以節(jié)省運算時間，縮小響應時間。主芯片是以TMS320F28335為核心的信號處理模塊，負責算法、濾波和實時信號處理，將車輛雷達運動產(chǎn)生的多普勒頻率進行I/Q雙通道同步信號采集［8］，使用CFFT對雷達信號進行頻譜分析。

1 工作原理

1.1 硬件設計

雷達測速儀是由射頻部分(雷達)、基帶處理部分、CCD攝像機以及上位機部分組成，基帶處理部分是整個設備的核心部分。

1.1.1 射頻部分

多普勒雷達測速原理［4-5］是基于多普勒效應，它向物體傳輸微波信號，然后接收物體的反射波，反射回來的電波波長會隨著碰到物體的移動狀態(tài)而改變，經(jīng)計算可得到物體與雷達的相對速度，射頻部分實現(xiàn)雷達波的傳輸和反射波的接收。這一部分采用德國InnoSent公司最新推出的一款IPS (Innosent Product Stereo)系列的多普勒雷達傳感器IPS-182。IPS-182由于天線角度較小、測量精確、成本低廉，已在交通監(jiān)測、工業(yè)應用等領域嶄露頭角。射頻部分輸出的信號是回波和發(fā)射波混頻后的信號，該信號經(jīng)過放大和低通濾波后，形成I、Q雙通道模擬正交低頻信號(圖1)，進行雙通道連續(xù)波多普勒測速。

圖1 IPS-182原理圖

假設如圖1所示的多普勒雷達傳感器發(fā)射頻率為f0，遇到被測車輛，雷達信號被反彈回來，接收器接收反射信號，頻率為f/0，當目標車輛與傳感器之間的相對速度為v時，根據(jù)多普勒原理可以得到:

其中fd是多普勒頻率，C為電磁波在空間的傳播速度3×105km/s。通過式(1)求得車輛行駛速度v。

1.1.2 基帶信號處理

圖2是以DSP芯片TMS320LF28335為核心的基帶信號處理部分，實線框中就是TMS320F28335的完成的主要功能，實現(xiàn)信號處理和接口功能，該芯片內(nèi)部包含兩路12 bit模數(shù)轉換模塊，同步采集I、Q通道中頻放大信號，中央處理單元對信號進行相應的噪聲處理，頻率變換分析和數(shù)據(jù)相關算法的處理，獲得檢測目標的頻譜，提取出運動目標的多普勒頻率，把該頻率通過RS232接口傳輸給上位機。當運動目標超速時，輸出觸發(fā)信號，觸發(fā)攝像機抓拍有效圖片?；鶐Р糠中盘柼幚碓砜驁D［6-7］如圖 2所示。

圖2 基帶信號處理原理框圖

1.1.3 CCD攝像機控制器及上位機接口部分

CCD攝像機控制器是由相機廠商提供RS232或者RS485接口與DSP連接，通過IP網(wǎng)絡來連接上位機，接收并將RS232接口傳輸過來的目標信息集成到圖片上，最后通過網(wǎng)絡上傳到服務器。攝像機控制器使用HD Vision系列高清攝像機，拍照延時為150μs～40 ms。

1.2 目標相關算法

基帶信號處理過程中，兩路AD轉換通道對兩路雷達信號進行同步的高速采集［8-9］，采樣頻率設為25 000 Hz，每幀數(shù)據(jù)長度取256點，圖3(a)是AD轉換通道同時采集的一幀數(shù)據(jù)，采樣時間為256× (1/25 000)=0.010 24 s=10.24 ms，再加上攝像機延時40 ms，網(wǎng)絡延時約為40 ms，則總共需要大約90 ms的響應時間。為了得到最佳的頻率分辨率，選擇N=1 024點的傅立葉變換，圖3(b)是經(jīng)過CFFT后獲得的頻譜圖，頻率分辨率最小值為:

圖3 通道信號和變換后的頻譜

多普勒頻率為(n是圖3(b)最大頻率對應的點):

它對應的時速誤差為:

測速精度小于1 km/h，可以達到0.55 km/h。

如何把采樣到的256點變?yōu)镹=1 024的傅立葉變換是我們接下來需要考慮的問題。為了解決這個問題，對DSP芯片的AD模塊和DMA模塊進行了改良，具體步驟如下:

(1)通過設置定時器定時周期Ts來定時觸發(fā)AD轉換，AD采樣頻率為1/Ts(25 000 Hz)。將采集1 024優(yōu)化為采集256點。

(2)DMA模塊開辟一個交叉的1 024點的緩存區(qū)，分成兩個空間，一半是buffer_ping，一半是buffer _pong，如果一個空間在存儲數(shù)據(jù)，那么另一個空間就在在計算，具體如下:

AD模塊兩路通道進行同時采樣，每采集一次數(shù)據(jù)觸發(fā)DMA搬運到指定緩沖區(qū)，buffer_ping或者buffer_pong，DMA每次搬運兩個數(shù)據(jù)，分別為I通道和Q通道的采樣結果。存儲時先存儲I后存儲Q，按照順序交叉存儲，例如buffer_ping［0］是存儲第1次對I通道采樣的結果，buffer_ping［1］存儲第1次對Q采樣的結果，buffer_ping［2］是存儲第2次對I采樣的結果，buffer_ping［3］是存儲第2次對Q采樣的結果，依次交叉存儲采樣數(shù)據(jù)。進行一次DMA搬運后(搬運512個采樣數(shù)據(jù)，I通道的256點和Q通道的256點)產(chǎn)生DMA中斷，中斷程序中更改緩沖區(qū)地址，如果ping緩沖區(qū)采集滿換成pong緩沖區(qū)，ping—pong緩沖區(qū)交替使用。因為復數(shù)傅里葉變換CFFT的時間遠小于采集256個復數(shù)的時間，如果AD一直在采集數(shù)據(jù)，采集滿ping緩沖區(qū)后，繼續(xù)采集的數(shù)據(jù)放在pong緩沖區(qū)，將采集滿ping緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)賦值到CFFT的輸入緩沖區(qū)進行計算，這樣子采集和CFFT計算互不干擾，并行執(zhí)行，節(jié)省了很多時間。圖4為搬運過程。

圖4所示第一排的數(shù)據(jù)為1 024點的復數(shù)空間，在每次DMA搬移新的256點的復數(shù)前，都會將上一次的后256～1 024的數(shù)據(jù)搬到前0～768的空間中，形成新的數(shù)據(jù)控件，并將新的256點的復數(shù)數(shù)據(jù)填到新的數(shù)據(jù)空間的768～1 024所在的地址中。所以右邊的768～1 024的控件每次由采集好的ping或者pong緩沖區(qū)填充，構成了新的輸入緩沖區(qū)，這樣就可以進行1 024點的復數(shù)傅里葉變換。

根據(jù)目前的算法，需要采集4次256點的復數(shù)，才可以將1 024點的復數(shù)傅里葉變換的存儲空間填滿，沒有填滿的部分是初始值0。

圖4 兩幀數(shù)據(jù)的存儲方式

2 軟件系統(tǒng)設計［10］

軟件系統(tǒng)采用了流行的面向對象的設計思想和模塊化的設計流程，并且采用了分層設計的原則，充分利用TI公司提供的相應數(shù)字信號處理庫進行設計。

應用層軟件分為5個模塊:信號采集模塊、濾波模塊、CFFT變換模塊、目標速度相關計算模塊、參數(shù)設置及信息輸出模塊。

信號采集模塊完成的工作:對信號進行A/D轉換，采樣頻率值的決定。采集過程當緩沖區(qū)數(shù)據(jù)滿時，ADC產(chǎn)生中斷信號。CPU響應中斷，總線控制權交給DMA開始讀取塊數(shù)據(jù)，對接收數(shù)據(jù)進行去直流分量，分實部、虛部為數(shù)據(jù)分配存儲空間。

濾波模塊完成的工作:使用軟件濾波將頻率范圍外的高頻、工頻干擾消除。做法是首先用MATLAB模擬窗函數(shù)系數(shù)，使用循環(huán)卷積對輸入信號進行FIR濾波。

CFFT變換模塊完成的工作:對輸入信號經(jīng)CFFT變換求出臨時f附近頻譜，根據(jù)頻譜分析理論和在仿真軟件MATLAB下建模仿真知道該算法能估計出信號的主頻，而且抗干擾能力強，實現(xiàn)簡單。此變換是整個系統(tǒng)軟件中的核心。

目標速度相關計算模塊:分為頻譜最大值及下標計算、速度計算、進行目標相關算法判別3個部分實現(xiàn)。

參數(shù)設置及信息輸出模塊:測得的輸出目標信息(速度、方向等)經(jīng) RS232接口輸出，并通過RS232進行設置雷達的相關參數(shù)。

主程序流程如圖5所示。

圖5 DSP主程序流程圖

3 測試結果

將雷達測速儀固定在一定位置，測試車輛以20 km/h、30 km/k、40 km/h、……、80 km/h的速度通過雷達探測區(qū)域，記錄雷達測速儀測試的結果。測速儀測速最大誤差也只有0.5 km/h(根據(jù)最小可區(qū)分多普勒頻率計算)，達到小于1 km/h的目標要求，實際測試精度結果如圖6所示。

圖6 速度誤差分布

信號持續(xù)時間是指車輛開始進入雷達探測區(qū)域［11］至車輛完全駛出雷達探測區(qū)域的時間，它與雷達探測區(qū)域的長度d和車長L有關，信號持續(xù)時間t=(d+2L)/v。設雷達發(fā)射的工作頻率為24.151 5 GHz，雷達探測區(qū)域的長度d為2.7m～5.4m，車長L為1.5 m～8 m，計算車速為250 km/h的車輛信號持續(xù)時間為0.082 s～0.308 s，300 km/h信號持續(xù)時間為0.068 s～0.257 s，而市場上目前的雷達測速儀響應時間在120 ms左右，在信號持續(xù)時間內(nèi)響應及時度不高的，而經(jīng)過算法改進的測速儀測量實際反應時間只需要90 ms，響應時間大大縮短，響應及時度提高，當車輛速度為250 km/h時，照相機抓拍率接近100%，所以經(jīng)過改進后的雷達測速儀測速范圍10 km/h～250 km/h的要求。

4 結論

本文利用了TMS320F28335實現(xiàn)了雷達測速儀的速度測量，性能穩(wěn)定、可靠和快捷地計算并顯示速度，同時也可以通過串口發(fā)送信息到上位機，并觸發(fā)攝像機拍攝，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。最后實現(xiàn)的測速準確率達到1km/h，測速范圍在10 km/h～250 km/h，滿足測速要求，探測時間為90 ms左右，比現(xiàn)在市場上的雷達測速儀的探測時間要快30 ms。同時該系統(tǒng)體積小、質量輕、功耗低、操作方便，能夠滿足目前國內(nèi)對高速路段和城市路段速度檢測系統(tǒng)的要求，為交管部門的監(jiān)控提供了重要手段，目前本產(chǎn)品已經(jīng)完成樣品，在實際推銷應用中。

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The Design of Radar Speed Measurement System Based On TMS320F28335*

CAO Yongmin1，YAO Yafeng1*，CHEN Haiteng2，LIMouhui3
(Faculty of Mechanical and Electronic Information，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China)

In order to improve the response time and the mearuring accuracy of the radar speed measurement，a radar speedmeasurement system is designed based on DSP-F28335.DSP acquires the radar signals，carries out complex fourier transform(CFFT)on Doppler frequency caused by vehiclesmovement，and then analyses the spectrum.In the process of system operation，the system uses target-correlation algorithm to detect over speed vehicle automatically，sends the information of the over speeding and triggers signal to trigger image acquisition equipment to getuseful photo.By analysing of experimental results，the response time is about90ms，speed measuring precision is less than 1 km/h.

speed radar;doppler effect;target-correlation;CFFT;TMS320F28335

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.017

TN953+.1 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0067-05

項目來源:中央高?；緲I(yè)務費專項基金項目(CUG120408)

2013-04-11修改日期:2013-05-19

EEACC:6320

曹永敏(1989-)，女，漢族，河北人，中國地質大學機械與電子信息學院碩士研究生，主要研究方向為DSP及嵌入式系統(tǒng)設計和軟件設計等，184217732 @qq.com;

陳海騰(1988-)，男，漢族，江蘇鹽城人，中國地質大學機械與電子信息學院碩士研究生，主要研究方向為基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設計、無線通信系統(tǒng)關鍵技術研究，106316438@qq.com;

姚亞峰(1970-)，男，漢族，湖北黃梅人，中國地質大學機械與電子信息學院副教授。主要研究方向為通信系統(tǒng)設計、嵌入式系統(tǒng)設計、現(xiàn)代數(shù)字信號處理等，yafeng.yao@gmail.com;

李謀輝(1989-)，男，漢族，湖北咸寧人，中國地質大學機械與電子信息學院碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)字系統(tǒng)設計等，afei2222afei @qq.com。