??? 摘? 要：介紹了現(xiàn)今流行的單片射頻收發(fā)" title="射頻收發(fā)">射頻收發(fā)芯片nRF24E1與具有相關(guān)運(yùn)算功能的特殊芯片TMC2023的性能特點(diǎn)；闡述了信號處理當(dāng)中的相關(guān)運(yùn)算理論，并將該理論與上述兩個芯片為核心的電路相結(jié)合，用于汽車防撞系統(tǒng)" title="防撞系統(tǒng)">防撞系統(tǒng)當(dāng)中，從而增強(qiáng)了汽車防撞系統(tǒng)的防撞能力。
??? 關(guān)鍵詞： 射頻收發(fā)? 相關(guān)運(yùn)算?? 防撞系統(tǒng)
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??? 隨著時代的發(fā)展及社會的進(jìn)步，越來越多的汽車進(jìn)入了普通人的家庭。盡管公路條件在不斷改進(jìn)，但仍然避免不了公路上汽車擁擠的現(xiàn)狀，再加上車速逐漸提高，惡性交通事故無時無刻不在發(fā)生，給人們和社會帶來了巨大的生命與財產(chǎn)損失。
??? 汽車防撞系統(tǒng)是一種可向司機(jī)預(yù)先發(fā)出視聽告警信號的探測裝置。通常它安裝在汽車上，能探測企圖接近車身的行人、車輛或周圍障礙物；能向司機(jī)及乘客提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險的信號，促使司機(jī)甚至撇開司機(jī)采取應(yīng)急措施處理特殊險情，避免損失。當(dāng)前，盡管各國都在研究防碰撞系統(tǒng)(國際上通常稱為主動安全系統(tǒng))，但怎樣才能更好地解決虛警的問題，始終困擾著相關(guān)工作者。國際上的研究者通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，已經(jīng)達(dá)成共識，若想有效地解決上述問題，防撞系統(tǒng)必須具有如下功能：
??? (1)必須具備測角能力，目標(biāo)的方位角信息對于去除虛警是必不可少的；
??? (2)易于產(chǎn)生抗干擾性能強(qiáng)的復(fù)雜發(fā)射信號，配合實(shí)時高效的信號處理和目標(biāo)檢測算法，用以去除虛警。
??? 只有以上兩點(diǎn)緊密結(jié)合起來才能保證汽車防碰撞系統(tǒng)的可靠性。
1 TMC2023芯片和nRF24E1芯片特點(diǎn)介紹
??? TMC2032是一種新型的全數(shù)字相關(guān)器" title="相關(guān)器">相關(guān)器電路，其相關(guān)字長和相關(guān)門限可編程。該芯片是美國TRW公司近年推出的單片64位CMOS全數(shù)字相關(guān)器大規(guī)模集成電路，其內(nèi)部有三個獨(dú)立時鐘的8位移位寄存器（隨機(jī)數(shù)據(jù)寄存器A、本地碼寄存器B和屏蔽碼寄存器M）；另外還有一個7位寄存器用來裝載預(yù)置的門限值。0～64之間任意長的隨機(jī)數(shù)據(jù)與本地碼經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后，以三態(tài)緩沖的7位BCD編碼輸出，并與預(yù)置的門限值在比較器中比較，若相關(guān)值大于或等于門限值，則標(biāo)志位由低變高。由于采用了先進(jìn)的高速CMOS生產(chǎn)工藝，并行相關(guān)速率高達(dá)30MHz以上?？蓮V泛應(yīng)用于同步、匹配濾波、誤碼檢測、記錄及條形碼識別中，尤其適合于雷達(dá)信號的識別。
??? nRF24E1是一種工作頻率可達(dá)到2.4GHz的無線射頻收發(fā)芯片，通道運(yùn)算時間小于200μs，數(shù)據(jù)速率為1Mbps,不需要外接SAW濾波器，是目前世界首次推出的全球通用的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。內(nèi)部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，可以在1.9V～3.6V之間的電壓下穩(wěn)定工作;內(nèi)部還嵌有電壓調(diào)整器和VDD電壓監(jiān)視器。無線收發(fā)部分有與nRF2401同樣的功能，該功能由內(nèi)部并行口和內(nèi)部SPI啟動，每一個待發(fā)信號對于處理器來講都可以作為中斷進(jìn)行編程，或者通過GPIO端口傳送給微處理器。芯片nRF24E1可以在世界公用的頻段范圍2.4～2.5GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線通訊。收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和兩個收發(fā)單元。輸出能量、頻段和其它射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地編程調(diào)節(jié)。在發(fā)送模式下，電流消耗只有10.5mA；在接收模式下，電流消耗只有18mA，所以功耗相當(dāng)?shù)汀?BR>2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 整套信息采集系統(tǒng)由五套射頻發(fā)射與接收裝置組成，每套發(fā)射與接收部分的基本電路都是一樣的，這五 套收發(fā)裝置又與DSP中央處理器" title="中央處理器">中央處理器相連，中央處理器負(fù)責(zé)計算它們傳過來的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況作出決策。
??? 每套發(fā)射與接收裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先由以nRF24E1為核心的射頻發(fā)射電路產(chǎn)生高頻電磁波，然后由相關(guān)運(yùn)算芯片TMC2032送來的調(diào)制信號對其進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生出與其它射頻收發(fā)單元不同的射頻信號，為接收做好充分準(zhǔn)備。為了使電磁波信號能夠有足夠遠(yuǎn)的傳播距離，還需要對調(diào)制后的信號進(jìn)行放大，完成這個功能的電路是功放電路。最后把這樣的一個信號傳向空中。
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??? 當(dāng)發(fā)出去的電磁波遇到障礙物返回時，首先要經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算芯片TMC2032對之進(jìn)行識別，若是同組發(fā)射部分發(fā)出去的則收，并把這個信號進(jìn)一步傳給射頻接收部分；否則拒絕接收。然后接收部分根據(jù)電磁波在空中傳播產(chǎn)生的相位移計算出其傳播所耗的時間，再計算出障礙物與該組收發(fā)部分的距離。最后把這個距離信息送給中央處理器。中央處理單片機(jī)要同時對五組射頻收發(fā)單元傳過來的距離信息作出計算，得出所測的障礙物與車的空間方位。到此，障礙物的信息采集工作基本完成，剩下的就是把這個綜合信息再傳給更高級的中央處理器，讓其作出最后決策。
3 收發(fā)單元的布置方案及計算原理
??? 汽車在行駛的過程當(dāng)中，對于前方的障礙物，要能夠判斷其相對于汽車的空間立體方位才能把前后、左右、上下的障礙物避開；而后面的障礙物，則只需判斷出其與汽車的前后及左右距離即可。所以采取在車前面安裝三個射頻收發(fā)系統(tǒng)，并且三套收發(fā)系統(tǒng)彼此之間呈垂直于水平面的三角形分布。在車后面則安裝兩套射頻收發(fā)系統(tǒng)，呈水平分布。整個收發(fā)系統(tǒng)的安裝如圖2所示。下面給出用射頻收發(fā)系統(tǒng)計算障礙物距離的簡單過程。
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??? 障礙物距離計算示意圖如圖3所示，其中A、B、C三點(diǎn)分別代表安裝在車頭前的三個超聲傳感器；E點(diǎn)代表障礙物；則EF表示從E點(diǎn)到水平面的距離，F(xiàn)G代表障礙物到車頭平面的距離，AG表示障礙物到車一側(cè)的距離。要求的就是EF、FG及AG這三條能表示出障礙物與汽車的空間相對位置的直線段。解法如下：
??? 在ΔABC中，作 BD
AC，連接ED和FD，則可求ΔABC的面積SΔABC，即:
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式中，
T1、T2、T3分別表示線段AB、BC、AC的長度
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??? 把射頻收發(fā)系統(tǒng)能夠探測到的距離S1、S2、S3與已知距離T1、T2、T3分別替換AE、BE、CE、AB、BC、AC，則可得所求的三個距離EF、FG、AG的值。
4 采用的相關(guān)算法
??? 隨著射頻在日常生活中的廣泛應(yīng)用，人們逐漸發(fā)現(xiàn)射頻測距存在著一定缺陷：①有效作用距離比較短，僅靠提高發(fā)射功率來增加測量距離是很有限的；②測距精度主要取決于回波信號的信噪比，在一定信噪比情況下，僅靠增加前級放大電路的增益來改善測量精度也是非常有限的。為了解決上述問題，在汽車防撞系統(tǒng)中，設(shè)想了基于偽碼調(diào)制的射頻發(fā)射與接收系統(tǒng)。
??? 白噪聲" title="白噪聲">白噪聲瞬時值服從高斯分布(正態(tài)分布)。它的功率譜密度在很寬的頻帶內(nèi)是均勻的，而且自相關(guān)函數(shù)具有δ函數(shù)的形狀。偽隨機(jī)碼雖然僅有兩個電平，但卻具有類似白噪聲的相關(guān)特性，只是其幅度概率分布不再服從高斯分布。所以，可以用偽隨機(jī)序列的平衡特性、游程特性和相關(guān)特性等來描述白噪聲。偽隨機(jī)編碼是用邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，信號的自相關(guān)函數(shù)滿足：?
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??? 可見，當(dāng)P足夠大時，自相關(guān)系數(shù)具有尖銳的二電平特性，接近δ函數(shù)。在基于偽隨機(jī)碼的超聲波測距中，正是利用偽碼自相關(guān)函數(shù)的尖銳特性來測量發(fā)射碼和接收碼之間的延時，從而提高測量精度。m序列偽隨機(jī)碼是由線性移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的一種序列。由于其相關(guān)特性優(yōu)良，又便于產(chǎn)生，所以得到了廣泛的應(yīng)用。
??? 根據(jù)相關(guān)函數(shù)定義，設(shè)兩個時間函數(shù)為x1(t)、x2(t)，則
稱為x1(t)的自相關(guān)函數(shù)；Rx1
稱為x1(t)和x2(t)的互相關(guān)函數(shù)。?
??? 在信號檢測理論中有兩類問題：一類是檢測信號，即根據(jù)接收到的混合信號(信號加噪聲或純噪聲)作出有無信號的判斷；另一類是估計參量，即在已檢測出有無信號的基礎(chǔ)上，對信號的某些參量(例如振幅、相位、頻率、脈沖幅度等)或波形作出估計。為了提高抗干擾性，需要尋求在干擾條件下對信號的最佳接收方法。周期性信號的相關(guān)函數(shù)仍是周期函數(shù)，而干擾噪聲的相關(guān)函數(shù)則是δ函數(shù)。根據(jù)這些差別，可利用相關(guān)器檢出混在噪聲干擾中的周期性信號。這種利用時域特性上的差別來檢測信號的方法稱為相關(guān)接收法。根據(jù)參考信號不同，相關(guān)接收法又分為自相關(guān)接收法和互相關(guān)接收法。自相關(guān)接收法是在無法確知輸入波形(或數(shù)據(jù))的情況下，利用自相關(guān)器對之作自相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算；互相關(guān)接收法是在可以確定參考信號的情況下，利用相關(guān)器對輸入波形(或數(shù)據(jù))與本地信號作互相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算。本設(shè)計中參考信號是本地碼，所以采用互相關(guān)接收法。在射頻測距系統(tǒng)中，不僅要對回波信號的有無進(jìn)行檢測，同時還要對回波信號和發(fā)射信號的延時進(jìn)行精確的測量。這樣才能準(zhǔn)確地知道無線電波傳播所用的時間，進(jìn)而算出障礙物與車之間的距離。
??? 本文運(yùn)用先進(jìn)的射頻技術(shù)與穩(wěn)定可靠的相關(guān)算法，使汽車具有較強(qiáng)的防撞能力。上述總體設(shè)計方案在實(shí)驗(yàn)小車上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并且在一定程度上能夠解決前面所述的始終困擾著相關(guān)工作者的兩個關(guān)鍵問題，即已經(jīng)具備了較靈敏的測角能力和較強(qiáng)的抗干擾能力，這樣就能夠使汽車具有較強(qiáng)的防撞能力。盡管如此，因?yàn)槠囆旭傔^程當(dāng)中關(guān)系著人的生命安全，所以其性能還有待進(jìn)一步提高，以增強(qiáng)整個系統(tǒng)的絕對安全性，進(jìn)而對之進(jìn)行推廣。
參考文獻(xiàn)
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