張浩源，秦會(huì)斌

（杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州310018）

0 引言

對(duì)重要交通道路實(shí)現(xiàn)無人值守自動(dòng)監(jiān)控，可以節(jié)省人力，降低成本，有較高的實(shí)施應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，紅外、微波雷達(dá)等具有探測距離遠(yuǎn)、全天候運(yùn)行、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠自動(dòng)監(jiān)控重要路口，滿足無人值守的需要。非接觸探測技術(shù)在其他方面也都有廣闊的應(yīng)用前景，如橋梁監(jiān)控、倉庫監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測等。目前，大多數(shù)交通監(jiān)視系統(tǒng)都只采用攝像頭來采集車輛信息，若攝像頭出現(xiàn)故障或者遭受惡劣天氣影響，必然會(huì)導(dǎo)致探測系統(tǒng)無法采集相關(guān)數(shù)據(jù)。由于不同的工作原理、特征，不同的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測傳感器有不同的應(yīng)用范圍，因此應(yīng)該盡量讓其處于符合其特征的環(huán)境中進(jìn)行探測，否則會(huì)導(dǎo)致探測到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差甚至是錯(cuò)誤。而多傳感器，如被動(dòng)式紅外技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)的聯(lián)合使用，可以適應(yīng)更多的環(huán)境，提供高精確度的車輛數(shù)目、距離的識(shí)別。同時(shí)，使用GPRS模塊，確保了通訊穩(wěn)定性，服務(wù)器端遠(yuǎn)程接收雷達(dá)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，節(jié)省了人力，降低了成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了采用紅外、微波和GPRS三種技術(shù)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測系統(tǒng)。主要由微波、紅外和GPRS模塊以及單片機(jī)主控模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 微波探測模塊

FMCW雷達(dá)利用雷達(dá)發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號(hào)。由介質(zhì)振蕩器發(fā)出一個(gè)頻率為f的微波信號(hào)，f受調(diào)制波控制，一部分發(fā)射出去，另一部分進(jìn)入混頻器作為本振信號(hào)。隨后，天線將回波信號(hào)傳遞到混頻器，和此時(shí)頻率已經(jīng)變化為f′的實(shí)時(shí)本振信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻后得到差頻信號(hào)f0，通過對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行采樣，判斷目標(biāo)的距離與運(yùn)動(dòng)速度。

FMCW雷達(dá)的調(diào)制信號(hào)普遍選用的是鋸齒波和三角波[1]。其中，鋸齒波只能測量距離，無法測量目標(biāo)速度信息。三角波可以同時(shí)獲得這兩種信息，因此選用三角波作為調(diào)制信號(hào)。其目標(biāo)距離R的計(jì)算公式如式（1）所示：

其中R是目標(biāo)距離，c為光速，ΔF為在三角波調(diào)制下微波信號(hào)頻率變化差值，fd為差頻信號(hào)的頻率，T為回波信號(hào)時(shí)間延遲。由此，可以對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行FFT算法計(jì)算，得到其頻譜，確定差頻信號(hào)的頻率，進(jìn)而獲得目標(biāo)的距離信息[2]。

硬件設(shè)計(jì)主要是對(duì)差頻信號(hào)的濾波放大，如圖2為雷達(dá)模塊的整體框圖。

圖2 雷達(dá)模塊整體框圖

本設(shè)計(jì)采用的FMCW雷達(dá)為瑞士Rfbeam公司的K-LC1a雷達(dá)收發(fā)器。該收發(fā)器利用TLV5616產(chǎn)生三角波作為調(diào)制信號(hào)，控制K-LC1a發(fā)射線性掃頻信號(hào)，當(dāng)有反射信號(hào)時(shí)，反射信號(hào)與收發(fā)器泄漏的本振信號(hào)在混頻器中混頻后產(chǎn)生攜帶距離信息的差頻信號(hào)。差頻信號(hào)經(jīng)過初級(jí)放大電路和次級(jí)放大電路，作為輸出信號(hào)供單片機(jī)分析。為減少噪聲信號(hào)干擾，需要設(shè)計(jì)帶通濾波器，本文使用通頻帶的頻率響應(yīng)曲線平滑的巴特沃斯濾波器。利用LM324運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了一個(gè)二階低通濾波器和一個(gè)二階高通濾波器，從而形成帶通濾波器。經(jīng)過處理的差頻信號(hào)提供給單片機(jī)采樣分析，使用FFT算法計(jì)算目標(biāo)的距離與速度信息。

具體設(shè)計(jì)中，斬波穩(wěn)零式運(yùn)算放大器噪聲較小，故利用斬波穩(wěn)零式運(yùn)算放大器作為處理電路中的第一個(gè)設(shè)備，可以順利減小噪聲對(duì)信號(hào)的影響。但是，由于斬波穩(wěn)零式運(yùn)算放大器一般會(huì)選擇高增益的設(shè)計(jì)，對(duì)于外部干擾的抵抗能力也會(huì)變?nèi)酢Ｓ捎谶\(yùn)算放大器會(huì)放大所有接收的信號(hào)，所以需要在放大過程中添加濾波器，組成帶通濾波器實(shí)現(xiàn)只通過期望的目標(biāo)信號(hào)。利用REF5025提供基準(zhǔn)電壓，精密運(yùn)算放大器ICL7650對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大。如圖3所示，其放大增益約為33倍，同時(shí)抑制了高頻噪聲，滿足對(duì)雷達(dá)信號(hào)初級(jí)處理的要求。

圖3 雷達(dá)信號(hào)初級(jí)放大電路

次級(jí)放大電路中，由于雷達(dá)差頻信號(hào)的電壓輸出范圍較大（20～200mV），在次級(jí)放大過程中，容易出現(xiàn)信號(hào)飽和，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的歸一化，便于單片機(jī)對(duì)差頻信號(hào)采樣，需要使用壓控運(yùn)算放大器。利用壓控信號(hào)對(duì)次級(jí)運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證信號(hào)歸一性，便于單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，使用了壓控運(yùn)算放大器VCA820對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次放大，如圖4所示。

圖4 雷達(dá)信號(hào)次級(jí)放大電路

通過控制VCA820的2引腳的電壓即可實(shí)現(xiàn)增益倍數(shù)的控制，由此可以實(shí)現(xiàn)總增益10～100倍的次級(jí)放大器設(shè)計(jì)。基于差頻信號(hào)的輸出，通?？刂破湓鲆鏋?0～30倍，在差頻信號(hào)經(jīng)過初級(jí)放大電路和次級(jí)放大電路處理后，其增益最大約可至60dB，可將雷達(dá)信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3.3V模擬信號(hào)輸出，滿足ADC對(duì)雷達(dá)信號(hào)采集的要求。

帶通濾波電路的目的是抑制所有的在通頻帶之外的信號(hào)，只保留所需的頻率信號(hào)。利用帶通濾波器來限制信號(hào)帶寬，必須考慮濾波器元件的頻率響應(yīng)、功率和損耗。計(jì)算得出，如果使用600Hz的三角波作為調(diào)制信號(hào)，可知對(duì)于1～20m以內(nèi)的探測物體，差頻信號(hào)輸出頻率約為2k～40kHz。所以設(shè)計(jì)了通頻帶為1k～100kHz的的帶通濾波器。其仿真頻率響應(yīng)曲線如圖5所示，滿足抑止噪聲信號(hào)需求。

圖5 雷達(dá)濾波器頻率響應(yīng)曲線

故基于運(yùn)算放大器LM324設(shè)計(jì)了二階巴特沃斯濾波器，該類型濾波器通頻帶平坦，并且通頻帶之外頻率響應(yīng)逐漸變化。通過高通濾波器和低通濾波器結(jié)合，構(gòu)成了帶通濾波器，降低了噪聲對(duì)差頻信號(hào)的干擾。

雷達(dá)探測程序流程如圖6所示，在喚醒之后，利用串口控制TLV5616生成600Hz的三角波，通過DMA接收ADC采樣的雷達(dá)差頻信號(hào)，并用FFT分析，確定其頻率的最集中處，根據(jù)距離公式算出目標(biāo)距離。

圖6 雷達(dá)探測流程

3 紅外探測模塊

紅外探測具有很強(qiáng)的隱蔽性，同時(shí)具有較強(qiáng)的穿透能力和全天候能力，已成為現(xiàn)代光電子技術(shù)的重要組成部分。紅外小目標(biāo)探測在紅外報(bào)警和國防等大量重要工程中發(fā)揮了不可或缺的作用[3]。通過將紅外信號(hào)作為預(yù)警信號(hào)，在預(yù)警后開啟微波模塊，減少了系統(tǒng)功耗，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供更長時(shí)間的支持。

本文利用了芯片EG4002組成紅外信號(hào)放大電路，同時(shí)包含了電壓比較電路，將報(bào)警信號(hào)傳輸給單片機(jī)。如圖7所示為整體電路框圖。

圖7 紅外探測模塊整體電路框圖

由于PIR傳感器輸出的信號(hào)為10Hz左右，幅值為幾毫伏的低頻信號(hào)，而噪聲信號(hào)一般高達(dá)數(shù)十kHz，所以設(shè)計(jì)了具有抑止高頻噪聲能力的放大比較電路。設(shè)計(jì)的電路如圖8所示。

圖8 紅外信號(hào)放大電路

圖9 EG4002結(jié)構(gòu)

其中，EG4002內(nèi)部自帶定時(shí)功能和30倍的電壓增益，便于在紅外信號(hào)處理電路中使用，簡化了設(shè)計(jì)。其外部增益可通過R1調(diào)節(jié)。EG4002內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9所示。在經(jīng)過內(nèi)部初級(jí)放大后，紅外電路產(chǎn)生的信號(hào)仍為模擬信號(hào)，為了便于后續(xù)單片機(jī)接收，內(nèi)置了電壓比較電路。電壓比較器通過運(yùn)算放大器比較兩端電壓，如果輸入電壓不符合預(yù)設(shè)端口的閾值電壓范圍，運(yùn)算放大器將會(huì)產(chǎn)生電壓反轉(zhuǎn)，從而將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，作為預(yù)警信號(hào)輸出。

設(shè)計(jì)中選用了型號(hào)為7703-1的菲涅爾透鏡，如圖10所示，其探測距離大于24m，可視角度為70°，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的探測距離[4]。

圖10 菲涅爾透鏡

4 GPRS模塊通信設(shè)計(jì)

GPRS模塊使用了GA6模塊，在接入GPRS網(wǎng)絡(luò)后，利用TCP/IP協(xié)議可以實(shí)時(shí)將本地模塊的報(bào)警信息傳輸給服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)道路信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。STM32F103利用串口同GA6進(jìn)行通訊，雷達(dá)所探測到的報(bào)警信息經(jīng)過STM32的處理，通過串口發(fā)送給GA6，如圖11所示。

圖11 STM32與GPRS模塊的通訊

GA6將接收到的串口數(shù)據(jù)封裝為TCP/IP數(shù)據(jù)包，發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)包傳遞給服務(wù)器端，服務(wù)器端通過數(shù)據(jù)包獲得串口數(shù)據(jù)，并將串口數(shù)據(jù)顯示在頁面上，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)探測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[5]，整個(gè)流程如圖12所示。

圖12 GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程

在PC端，使用Windows sockets來接收數(shù)據(jù)包，該傳輸協(xié)議可以通過TCP/IP來收發(fā)數(shù)據(jù)，利用winsock來接收數(shù)據(jù)包，獲取雷達(dá)探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)測試

紅外信號(hào)在有移動(dòng)車輛或人經(jīng)過時(shí)將產(chǎn)生方波預(yù)警信號(hào)，通過外部觸發(fā)將紅外信號(hào)傳輸給單片機(jī)，在預(yù)警后開啟微波模塊，減少了系統(tǒng)功耗，為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供更長時(shí)間的支持。其預(yù)警信號(hào)如圖13所示。

圖13 紅外預(yù)警信號(hào)

微波模塊正常工作時(shí)，在三角波調(diào)制下會(huì)產(chǎn)生約2kHz～40kHz的差頻信號(hào)，微波雷達(dá)的差頻信號(hào)在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，頻率會(huì)發(fā)生 變化，經(jīng)過電路處理之后傳輸給單片機(jī)的信號(hào)如圖14。

圖14 雷達(dá)差頻信號(hào)

圖15 LCD顯示

其頻率經(jīng)過單片機(jī)FFT分析后，主要集中在約6kHz處，需要使用顯示模塊顯示目標(biāo)距離和經(jīng)過的數(shù)量，其顯示如圖15所示，第一行為探測到的距離，第二行為經(jīng)過探測區(qū)域車輛數(shù)量。

通信顯示模塊接收雷達(dá)發(fā)送的探測信息，如圖16所示。從通訊數(shù)據(jù)中可以得到發(fā)現(xiàn)道路目標(biāo)的最近距離，并可以根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)編號(hào)來查詢系統(tǒng)所處地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無人的道路運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控。

圖16 服務(wù)器接收到的報(bào)警信息

6 結(jié)語

本文利用GPRS模塊，將FMCW雷達(dá)和紅外傳感器探測到的道路運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無人的道路運(yùn)動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控。其中對(duì)于FMCW雷達(dá)，進(jìn)行了三角波調(diào)制電路、差頻信號(hào)的信號(hào)處理放大濾波電路的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)了紅外預(yù)警信號(hào)電路，利用GPRS模塊通過TCP/IP協(xié)議將雷達(dá)測到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器端，并在頁面上顯示報(bào)警信息。利用GPRS模塊具有的遠(yuǎn)程通訊功能、紅外系統(tǒng)的預(yù)警功能，減少了人力、能源消耗，降低探測系統(tǒng)成本，在現(xiàn)實(shí)生活、工業(yè)等方面具有實(shí)用價(jià)值。