摘 要：介紹了ti" title="ti">title="TMS320VC5402" title="TMS320VC5402">TMS320VC5402">TMS320VC5402芯片的主要特點、功能及其結(jié)構(gòu)，給出了采用該芯片的汽車防撞警示雷達信號處理部分的電路原理設計和軟件設計。該雷達可對道路前方的目標進行準確地探測、分類、跟蹤以及發(fā)現(xiàn)危險目標后進行報警。經(jīng)過多次上車試驗，證明其性能優(yōu)良、工作穩(wěn)定可靠，在能見度較差的氣象環(huán)境和復雜的路況條件下能確保機動車輛安全行駛，降低交通事故發(fā)生率。
關鍵詞： 防撞警示雷達 DSP" title="DSP">DSP CPLD" title="CPLD">CPLD FFT
隨著汽車工業(yè)和高速高架公路的飛速發(fā)展，汽車撞車事故亦隨之日益嚴重。汽車制造商迫切需要解決汽車的防撞報警問題。歐洲的一項研究表明:駕駛員只要在有碰撞危險的0.5秒前得到“預警”，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%的路面相關事故;若有1秒鐘的“預警”時間，則可避免90%的事故發(fā)生。因此，近十幾年來，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、76.5GHz三種頻率的單脈沖和調(diào)頻連續(xù)波兩種體制的汽車防撞雷達系統(tǒng)。 毫米波(微波)防撞雷達與其它系統(tǒng)(如超聲波、激光)相比，具有顯著的優(yōu)點:它們可探測目標的距離和方位(角度);特別適合在惡劣環(huán)境下(如雨、雪、霧等天氣下)工作;系統(tǒng)后端信號處理機可根據(jù)使用要求，聯(lián)接并控制轎車的自動操作系統(tǒng)以達到自動減速、“巡航”、慢速行車或緊急剎車等目的。這兩種體制的雷達系統(tǒng)已經(jīng)在美國的三大汽車公司、日本尼桑公司和歐洲一些汽車公司的高檔轎車中應用，但由于其成本高昂而未能得到廣泛使用。
盡管我國的汽車防撞雷達研制起步較晚，但已得到業(yè)界的高度重視。近年來價格低廉的高性能DSP芯片的出現(xiàn)極大地推動了世界電子產(chǎn)品的發(fā)展，使得低成本高性能的汽車防撞雷達的實現(xiàn)和普及成為可能。本文提出用高性能DSP芯片TMS320VC5402擔任數(shù)字信號處理任務、CPLD完成控制和接口邏輯、單片機AT89C51提供人機通道和其余協(xié)調(diào)工作的汽車防撞警示雷達信號處理部分的原理方案，并簡要介紹其實現(xiàn)電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
1 TMS320VC5402簡介
TMS320VC5402是美國TI公司1999年10月推出的一款性價比極高的定點DSP芯片，該芯片具有以下主要特點?眼1?演:
(1)運算速度快。指令周期為10ns，運算能力為100 MIPS。
(2)強大的尋址能力。1M×16位最大可尋址外部存儲空間，內(nèi)置16K×16位RAM，4K×16位ROM。
(3)優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)。內(nèi)部有1個40位的算術邏輯單元，2個40位的累加器，2個40位的加法器，1個17×17的乘法器和1個40位的桶形移位器。有4條內(nèi)部總線(三條16位數(shù)據(jù)存儲器總線和一條程序存儲器總線)和2個地址產(chǎn)生器。
(4)智能外設。除了標準的串行口和時分復用(TDM)串行口外，TMS320VC5402還提供了自動緩沖串行口BSP(Auto-Buffered Serial Port)和與外部處理器通信的HPI(Host Port Interface)接口。BSP可提供2K字數(shù)據(jù)緩沖的讀寫能力，從而降低了處理器的額外開銷，BSP的最大數(shù)據(jù)吞吐量為100Mbit/s，即使在IDLE方式下，BSP也可以全速工作。HPI可以與外部標準的微處理器直接接口。
(5)低功耗方式。TMS320VC5402內(nèi)核電源1.8V，IO電源3.3V，三個低功耗方式(IDLE1、IDLE2和IDLE3)可以節(jié)省DSP的功耗?熏特別適合電池供電系統(tǒng)。
(6)體積小。144腳LQFP封裝。
(7)開發(fā)方便。JTAG掃描仿真接口(IEEE標準，P1149.1)。
TMS320VC5402以其獨有的高性能、低功耗和低價格優(yōu)勢，在一推出就受到業(yè)內(nèi)用戶的普遍歡迎，這也是我們選擇它作為該汽車防撞警示雷達的數(shù)字信號處理器的主要原因。
2 防撞雷達設計思想及性能參數(shù)簡介
該汽車防撞警示雷達的主要設計思想，是考慮到迎面相撞和追尾等惡性交通事故往往發(fā)生在路況復雜、能見度差、駕駛員疲勞的情況下，所以其最主要的設計目的是及早發(fā)現(xiàn)前方有潛在危險的目標，并及時報警以提醒駕駛員做出相應的處理動作。由于在汽車行駛過程中，多普勒傳感器接收到的信號十分復雜，要使之能在很小的視域里對汽車前方的多個目標進行檢測、分類、跟蹤，并做出判斷、報警，必須進行大量復雜的實時數(shù)字信號處理運算，因此我們選用高性能DSP芯片TMS320VC5402來完成這一系列復雜的算法;同時，為了提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性，我們采用CPLD器件來完成系統(tǒng)所需要的各種控制和接口功能。
該雷達的主要技術參數(shù)如下:
(1)屬于全天候型警示雷達系統(tǒng)，在霧、雨、雪、夜等各種惡劣的氣象環(huán)境和復雜的路況條件下均可正常工作。
(2)工作波段:微波或毫米波。
(3)發(fā)射機類型:耿氏二極管。
(4)發(fā)射機輸出功率:20mW。
(5)天線水平波束寬度:6°。
(6)作用距離:200m。
(7)更新速率:20次/秒。
3 電路原理設計
由于TMS320VC5402在數(shù)值算法上有很強的能力，然而在事務調(diào)度方面卻并不擅長，因此我們用一片AT89C51與之配合，采用主從結(jié)構(gòu)處理方式。由TMS320VC5402完成A/D采樣以及有關數(shù)值計算的一系列處理，包括雜波濾除、時域加窗、FFT" title="FFT">FFT、功率譜估計、譜峰搜索、目標提取、目標跟蹤等等;由單片機完成事務調(diào)度、人機接口、顯示和危險報警任務。TMS320VC5402與AT89C51的數(shù)據(jù)交換采用并行方式。系統(tǒng)信號處理原理框圖如圖1所示。
在圖1中，CPLD主要完成的任務有四個:(1)各端口的地址譯碼，包括AD775的啟動、讀數(shù)，各標志單元的地址產(chǎn)生等。(2)TMS320VC5402與單片機之間的數(shù)據(jù)交換。由于AT89C51對于DSP來說屬于慢速器件，因此我們采用雙緩沖結(jié)構(gòu)以保證數(shù)據(jù)交換可靠，XF和P2.7用于TMS320VC5402與單片機交換數(shù)據(jù)時的應答信號。(3)AD775的控制邏輯。AD775是A/D公司生產(chǎn)的一款采樣頻率高達20MHz的8位并行A/D器件，其控制十分方便。啟功A/D后由TMS320VC5402的BIO口查詢AD775的結(jié)束標志，即可讀取有效轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。(4)TMS320VC5402與FLASH EPROM的接口。由于EPROM是讀取時間為120ns的慢速器件，我們設計了2個周期的硬件等待電路[2]，CPLD中的模塊大多由硬件描述語言VHDL寫成。CPLD的應用使得整個系統(tǒng)的電路設計大大簡化，且結(jié)構(gòu)緊湊、協(xié)調(diào)有序、調(diào)試方便、性能可靠。圖2為CPLD內(nèi)部主要功能框圖。
4 軟件設計
TMS320VC5402需要完成的主要任務有:(1)啟動A/D并讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。(2)目標提取，包括數(shù)據(jù)預處理(雜波濾除、時域加窗)、功率譜估計、譜峰搜索、目標分類、危險目標確定及跟蹤等等。(3)與AT89C51交換數(shù)據(jù)。
單片機主要完成與DSP交換數(shù)據(jù)、門限設定、人機接口、判斷報警等任務。我們將這些內(nèi)容分成不同的子程序按模塊進行設計，調(diào)試和擴展十分方便。以下是我們給出的TMS320VC5402軟件編程的流程圖，如圖3所示。
該汽車防撞雷達系統(tǒng)不僅成本低廉(與國外同類產(chǎn)品相比)、體積小、可靠性高，而且先進的數(shù)字信號處理算法使其靈敏度高、虛警概率低，危險目標發(fā)現(xiàn)及時準確。
參考文獻
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