曹永敏，姚亞峰*，陳海騰，李謀輝

(中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430074)

基于TMS320F28335的雷達(dá)測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

曹永敏1，姚亞峰1*，陳海騰2，李謀輝3

(中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430074)

為了改善雷達(dá)測速儀觸發(fā)相機(jī)的反應(yīng)時(shí)間，提高測速精度，設(shè)計(jì)了一種以DSP芯片TMS320F28335為核心的雷達(dá)測速系統(tǒng)，通過DSP采集雷達(dá)信號，對車輛運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻率進(jìn)行復(fù)數(shù)傅里葉變換并進(jìn)行頻譜分析，利用目標(biāo)相關(guān)算法自動檢測超速目標(biāo)，發(fā)送目標(biāo)超速狀態(tài)信息和及時(shí)的觸發(fā)信號，觸發(fā)圖片采集設(shè)備抓拍到有效的圖片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，觸發(fā)相機(jī)反應(yīng)時(shí)間大約90 ms，測速精度小于1 km/h。

雷達(dá)測速;多普勒效應(yīng);目標(biāo)相關(guān);復(fù)數(shù)傅里葉變換;TMS320F28335

雷達(dá)測速儀可以計(jì)算出目標(biāo)與雷達(dá)的相對速度，現(xiàn)在廣泛用于交通超速測試，雷達(dá)測速主要利用多普勒效應(yīng)原理，當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時(shí)，反射信號頻率將高于發(fā)射機(jī)頻率;反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時(shí)，反射信號頻率將低于發(fā)射機(jī)率。如此即可借由頻率的改變數(shù)值，計(jì)算出目標(biāo)車輛的行駛速度［1］。目前，國內(nèi)的一些廠家生產(chǎn)的雷達(dá)測速儀一般采用單片機(jī)進(jìn)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(yīng)速度慢。如何提高測速精度和縮短反應(yīng)時(shí)間，是雷達(dá)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(shè)計(jì)以TMS320F28335［2-3］為核心的雷達(dá)測速控制系統(tǒng)。TMS320F28335在保持了原有的DSP芯片的同時(shí)，能夠執(zhí)行復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，可以節(jié)省代碼執(zhí)行的時(shí)間和存儲空間，具有精度高，成本低，功耗小，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)及程序存儲量大和A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)。使用TMS320F28335可以節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，縮小響應(yīng)時(shí)間。主芯片是以TMS320F28335為核心的信號處理模塊，負(fù)責(zé)算法、濾波和實(shí)時(shí)信號處理，將車輛雷達(dá)運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻率進(jìn)行I/Q雙通道同步信號采集［8］，使用CFFT對雷達(dá)信號進(jìn)行頻譜分析。

1 工作原理

1.1 硬件設(shè)計(jì)

雷達(dá)測速儀是由射頻部分(雷達(dá))、基帶處理部分、CCD攝像機(jī)以及上位機(jī)部分組成，基帶處理部分是整個(gè)設(shè)備的核心部分。

1.1.1 射頻部分

多普勒雷達(dá)測速原理［4-5］是基于多普勒效應(yīng)，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(jì)算可得到物體與雷達(dá)的相對速度，射頻部分實(shí)現(xiàn)雷達(dá)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I(lǐng)PS (Innosent Product Stereo)系列的多普勒雷達(dá)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(yīng)用等領(lǐng)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(jìn)行雙通道連續(xù)波多普勒測速。

圖1 IPS-182原理圖

假設(shè)如圖1所示的多普勒雷達(dá)傳感器發(fā)射頻率為f0，遇到被測車輛，雷達(dá)信號被反彈回來，接收器接收反射信號，頻率為f/0，當(dāng)目標(biāo)車輛與傳感器之間的相對速度為v時(shí)，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(shí)線框中就是TMS320F28335的完成的主要功能，實(shí)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(zhuǎn)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(jìn)行相應(yīng)的噪聲處理，頻率變換分析和數(shù)據(jù)相關(guān)算法的處理，獲得檢測目標(biāo)的頻譜，提取出運(yùn)動目標(biāo)的多普勒頻率，把該頻率通過RS232接口傳輸給上位機(jī)。當(dāng)運(yùn)動目標(biāo)超速時(shí)，輸出觸發(fā)信號，觸發(fā)攝像機(jī)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(jī)控制器及上位機(jī)接口部分

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

1.2 目標(biāo)相關(guān)算法

基帶信號處理過程中，兩路AD轉(zhuǎn)換通道對兩路雷達(dá)信號進(jìn)行同步的高速采集［8-9］，采樣頻率設(shè)為25 000 Hz，每幀數(shù)據(jù)長度取256點(diǎn)，圖3(a)是AD轉(zhuǎn)換通道同時(shí)采集的一幀數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為256× (1/25 000)=0.010 24 s=10.24 ms，再加上攝像機(jī)延時(shí)40 ms，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)約為40 ms，則總共需要大約90 ms的響應(yīng)時(shí)間。為了得到最佳的頻率分辨率，選擇N=1 024點(diǎn)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(yīng)的點(diǎn)):

它對應(yīng)的時(shí)速誤差為:

測速精度小于1 km/h，可以達(dá)到0.55 km/h。

如何把采樣到的256點(diǎn)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(gè)問題，對DSP芯片的AD模塊和DMA模塊進(jìn)行了改良，具體步驟如下:

(1)通過設(shè)置定時(shí)器定時(shí)周期Ts來定時(shí)觸發(fā)AD轉(zhuǎn)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(diǎn)。

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

AD模塊兩路通道進(jìn)行同時(shí)采樣，每采集一次數(shù)據(jù)觸發(fā)DMA搬運(yùn)到指定緩沖區(qū)，buffer_ping或者buffer_pong，DMA每次搬運(yùn)兩個(gè)數(shù)據(jù)，分別為I通道和Q通道的采樣結(jié)果。存儲時(shí)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(jié)果，buffer_ping［1］存儲第1次對Q采樣的結(jié)果，buffer_ping［2］是存儲第2次對I采樣的結(jié)果，buffer_ping［3］是存儲第2次對Q采樣的結(jié)果，依次交叉存儲采樣數(shù)據(jù)。進(jìn)行一次DMA搬運(yùn)后(搬運(yùn)512個(gè)采樣數(shù)據(jù)，I通道的256點(diǎn)和Q通道的256點(diǎn))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?yàn)閺?fù)數(shù)傅里葉變換CFFT的時(shí)間遠(yuǎn)小于采集256個(gè)復(fù)數(shù)的時(shí)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(jìn)行計(jì)算，這樣子采集和CFFT計(jì)算互不干擾，并行執(zhí)行，節(jié)省了很多時(shí)間。圖4為搬運(yùn)過程。

圖4所示第一排的數(shù)據(jù)為1 024點(diǎn)的復(fù)數(shù)空間，在每次DMA搬移新的256點(diǎn)的復(fù)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(diǎn)的復(fù)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(gòu)成了新的輸入緩沖區(qū)，這樣就可以進(jìn)行1 024點(diǎn)的復(fù)數(shù)傅里葉變換。

根據(jù)目前的算法，需要采集4次256點(diǎn)的復(fù)數(shù)，才可以將1 024點(diǎn)的復(fù)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(shè)計(jì)［10］

軟件系統(tǒng)采用了流行的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和模塊化的設(shè)計(jì)流程，并且采用了分層設(shè)計(jì)的原則，充分利用TI公司提供的相應(yīng)數(shù)字信號處理庫進(jìn)行設(shè)計(jì)。

應(yīng)用層軟件分為5個(gè)模塊:信號采集模塊、濾波模塊、CFFT變換模塊、目標(biāo)速度相關(guān)計(jì)算模塊、參數(shù)設(shè)置及信息輸出模塊。

信號采集模塊完成的工作:對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采樣頻率值的決定。采集過程當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)滿時(shí)，ADC產(chǎn)生中斷信號。CPU響應(yīng)中斷，總線控制權(quán)交給DMA開始讀取塊數(shù)據(jù)，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行去直流分量，分實(shí)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(jìn)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(shí)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(jì)出信號的主頻，而且抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)簡單。此變換是整個(gè)系統(tǒng)軟件中的核心。

目標(biāo)速度相關(guān)計(jì)算模塊:分為頻譜最大值及下標(biāo)計(jì)算、速度計(jì)算、進(jìn)行目標(biāo)相關(guān)算法判別3個(gè)部分實(shí)現(xiàn)。

參數(shù)設(shè)置及信息輸出模塊:測得的輸出目標(biāo)信息(速度、方向等)經(jīng) RS232接口輸出，并通過RS232進(jìn)行設(shè)置雷達(dá)的相關(guān)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(jié)果

將雷達(dá)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(dá)探測區(qū)域，記錄雷達(dá)測速儀測試的結(jié)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(jì)算)，達(dá)到小于1 km/h的目標(biāo)要求，實(shí)際測試精度結(jié)果如圖6所示。

圖6 速度誤差分布

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

4 結(jié)論

本文利用了TMS320F28335實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)測速儀的速度測量，性能穩(wěn)定、可靠和快捷地計(jì)算并顯示速度，同時(shí)也可以通過串口發(fā)送信息到上位機(jī)，并觸發(fā)攝像機(jī)拍攝，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。最后實(shí)現(xiàn)的測速準(zhǔn)確率達(dá)到1km/h，測速范圍在10 km/h～250 km/h，滿足測速要求，探測時(shí)間為90 ms左右，比現(xiàn)在市場上的雷達(dá)測速儀的探測時(shí)間要快30 ms。同時(shí)該系統(tǒng)體積小、質(zhì)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(shí)際推銷應(yīng)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(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0067-05

項(xiàng)目來源:中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)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(zhì)大學(xué)機(jī)械與電子信息學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)镈SP及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等，184217732 @qq.com;

陳海騰(1988-)，男，漢族，江蘇鹽城人，中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)械與電子信息學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛贏RM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，106316438@qq.com;

姚亞峰(1970-)，男，漢族，湖北黃梅人，中國地質(zhì)大學(xué)機(jī)械與電子信息學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(zhì)大學(xué)機(jī)械與電子信息學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，afei2222afei @qq.com。