摘 要：介紹了ti" title="ti">title="TMS320VC5402" title="TMS320VC5402">TMS320VC5402">TMS320VC5402芯片的主要特點(diǎn)、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(dá)信號處理部分的電路原理設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該雷達(dá)可對道路前方的目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確地探測、分類、跟蹤以及發(fā)現(xiàn)危險目標(biāo)后進(jìn)行報警。經(jīng)過多次上車試驗(yàn)，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(fù)雜的路況條件下能確保機(jī)動車輛安全行駛，降低交通事故發(fā)生率。
關(guān)鍵詞： 防撞警示雷達(dá) 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(yán)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(xiàng)研究表明:駕駛員只要在有碰撞危險的0.5秒前得到“預(yù)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(guān)事故;若有1秒鐘的“預(yù)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(dá)系統(tǒng)。 毫米波(微波)防撞雷達(dá)與其它系統(tǒng)(如超聲波、激光)相比，具有顯著的優(yōu)點(diǎn):它們可探測目標(biāo)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(jī)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(dá)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(dá)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(yīng)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(dá)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(dá)的實(shí)現(xiàn)和普及成為可能。本文提出用高性能DSP芯片TMS320VC5402擔(dān)任數(shù)字信號處理任務(wù)、CPLD完成控制和接口邏輯、單片機(jī)AT89C51提供人機(jī)通道和其余協(xié)調(diào)工作的汽車防撞警示雷達(dá)信號處理部分的原理方案，并簡要介紹其實(shí)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(diǎn)DSP芯片，該芯片具有以下主要特點(diǎn)?眼1?演:
(1)運(yùn)算速度快。指令周期為10ns，運(yùn)算能力為100 MIPS。
(2)強(qiáng)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(shù)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(shè)。除了標(biāo)準(zhǔn)的串行口和時分復(fù)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?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，P1149.1)。
TMS320VC5402以其獨(dú)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(dá)的數(shù)字信號處理器的主要原因。
2 防撞雷達(dá)設(shè)計(jì)思想及性能參數(shù)簡介
該汽車防撞警示雷達(dá)的主要設(shè)計(jì)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(fù)雜、能見度差、駕駛員疲勞的情況下，所以其最主要的設(shè)計(jì)目的是及早發(fā)現(xiàn)前方有潛在危險的目標(biāo)，并及時報警以提醒駕駛員做出相應(yīng)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(fù)雜，要使之能在很小的視域里對汽車前方的多個目標(biāo)進(jìn)行檢測、分類、跟蹤，并做出判斷、報警，必須進(jìn)行大量復(fù)雜的實(shí)時數(shù)字信號處理運(yùn)算，因此我們選用高性能DSP芯片TMS320VC5402來完成這一系列復(fù)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(dá)的主要技術(shù)參數(shù)如下:
(1)屬于全天候型警示雷達(dá)系統(tǒng)，在霧、雨、雪、夜等各種惡劣的氣象環(huán)境和復(fù)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(jī)類型:耿氏二極管。
(4)發(fā)射機(jī)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(shè)計(jì)
由于TMS320VC5402在數(shù)值算法上有很強(qiáng)的能力，然而在事務(wù)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(guān)數(shù)值計(jì)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(jì)、譜峰搜索、目標(biāo)提取、目標(biāo)跟蹤等等;由單片機(jī)完成事務(wù)調(diào)度、人機(jī)接口、顯示和危險報警任務(wù)。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(wù)有四個:(1)各端口的地址譯碼，包括AD775的啟動、讀數(shù)，各標(biāo)志單元的地址產(chǎn)生等。(2)TMS320VC5402與單片機(jī)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(jī)交換數(shù)據(jù)時的應(yīng)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(dá)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(biāo)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(shè)計(jì)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(yīng)用使得整個系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
TMS320VC5402需要完成的主要任務(wù)有:(1)啟動A/D并讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。(2)目標(biāo)提取，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理(雜波濾除、時域加窗)、功率譜估計(jì)、譜峰搜索、目標(biāo)分類、危險目標(biāo)確定及跟蹤等等。(3)與AT89C51交換數(shù)據(jù)。
單片機(jī)主要完成與DSP交換數(shù)據(jù)、門限設(shè)定、人機(jī)接口、判斷報警等任務(wù)。我們將這些內(nèi)容分成不同的子程序按模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)試和擴(kuò)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(dá)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(jìn)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(biāo)發(fā)現(xiàn)及時準(zhǔn)確。
參考文獻(xiàn)
1 TMS320VC5402 Fix-Point Digital Signal Processor (Literature number SPRS079).from http://www.ti.com
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October, 1991:232-240