基于DSP的雷達(dá)測速監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹了基于DSP芯片TMS320VC5502的雷達(dá)測速監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用了多普勒效應(yīng)原理，對運(yùn)動(dòng)車輛產(chǎn)生的多普勒頻率進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算行駛速度。針對雷達(dá)測速監(jiān)控的需要，提出了擴(kuò)展PAL/NTSC制式視頻接口采集超速車輛視頻圖像信息的方法。采用了RS-485接口傳輸JPEG視頻圖像壓縮數(shù)據(jù),提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞： 多普勒; 雷達(dá)測速; DSP; 圖像壓縮

目前，車輛測速方法主要有線圈測速、光電式測速、雷達(dá)測速、視頻測速等。線圈測速多為埋設(shè)式,車輛通過線圈時(shí)，會(huì)引起線圈磁場變化，檢測器依此計(jì)算出車輛速度。線圈在安裝或維護(hù)時(shí)必須直接埋入車道，安裝過程中會(huì)暫時(shí)阻礙交通，且維護(hù)時(shí)容易使路面受損，線圈也易受到冰凍、路基下沉等因素的影響，當(dāng)車流擁堵時(shí)，檢測精度會(huì)大大降低。光電式測速在低速測量時(shí)精度較高，但時(shí)速達(dá)150公里以上時(shí)，存在著精度問題。雷達(dá)測速是目前檢測車輛超速行駛的主要方式，但大多數(shù)雷達(dá)測速儀采用的計(jì)數(shù)鑒頻方法測試精度不高、電路復(fù)雜、測量功能單一，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。視頻檢測的測速方法將攝像機(jī)安裝在車道上方，拍攝車輛運(yùn)動(dòng)圖像序列，運(yùn)用圖像處理與模式識別方法對接收到的圖像序列進(jìn)行分析,獲取圖像中車輛在兩幀間的位移，從而得到車輛的行駛速度，此方式建立在準(zhǔn)確的響應(yīng)時(shí)間基礎(chǔ)之上，但由于受接收設(shè)備的限制，不可能準(zhǔn)確獲得觸發(fā)時(shí)間幀序列，所以會(huì)造成測得的速度誤差較大。
本系統(tǒng)采用DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理，利用頻譜分析技術(shù)捕捉雷達(dá)回波信號的多普勒頻移來計(jì)算汽車的速度,可大大提高測速精度。本文所設(shè)計(jì)的基于DSP的雷達(dá)測速監(jiān)控系統(tǒng)提高了測試精度、增加了視頻監(jiān)控功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，具有很高的推廣價(jià)值。
1設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)框圖
根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，即移動(dòng)物體對所接收的電磁波有頻移的效應(yīng)，由接收到的反射波頻移量計(jì)算得出被測物體的運(yùn)動(dòng)速度。物體運(yùn)動(dòng)速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為[1]:

式中，f_D為多普勒頻率(Hz)；Vt為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度(m/s)；c為光速; f0為發(fā)射波頻率(Hz)。從式(1)可以看到其他變量都是已知的，只要測出fD就可以計(jì)算出被測車輛的速度。系統(tǒng)一旦檢測到超速車輛，攝像頭便開始捕捉超速車輛信息，并通過RS-485接口將超速車輛信息傳送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　 通過圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可知,整個(gè)系統(tǒng)可以分4部分：雷達(dá)信號處理通道、視頻采集通道、串行通信接口及外圍輔助接口鍵盤/顯示器等。
2.1雷達(dá)信號處理通道
此部分主要由雷達(dá)傳感器模塊和雷達(dá)信號處理模塊兩部分組成。
2.1.1雷達(dá)傳感器
本系統(tǒng)的測速雷達(dá)傳感器采用了多普勒效應(yīng)的工作原理，以發(fā)射頻率為24．15 GHz的微波雷達(dá)作為信號的收發(fā)裝置。微波雷達(dá)具有方向性好、速度等于光速的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)射微波遇到車輛立即被反射回來，被接收端混頻后即產(chǎn)生和速度對應(yīng)的差頻信號,即差拍中頻信號，該信號頻率范圍為10~100 000 Hz(和被測物移動(dòng)速度有關(guān))，速度越快頻率越高?；夭ú铑l信號隨目標(biāo)遠(yuǎn)近幅度在1 mV~100 mV之間變化，越接近幅度越大。圖2(a)為被測移動(dòng)目標(biāo)接近探測傳感器時(shí)的波形，圖2(b)為被測移動(dòng)目標(biāo)遠(yuǎn)離探測傳感器時(shí)的波形。

2.1.2 雷達(dá)信號處理模塊
　回波差頻信號隨目標(biāo)遠(yuǎn)近幅度在1 mV~100 mV之間變化，回波信號較微弱，容易受外部信號干擾，需對回波中頻信號進(jìn)行放大至30 mV~3 V之間?；祛l后的多普勒信號經(jīng)中頻放大后由AD7274以1．25 MHz的頻率對信號進(jìn)行采樣，因此保證了較高的轉(zhuǎn)換精度和快速的采樣速率。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入DSP進(jìn)行頻譜分析估算多普勒頻率，經(jīng)DSP運(yùn)算后轉(zhuǎn)換成km/h。
2.2 視頻采集通道
　 此部分主要由SAA7111A視頻采集模塊、擴(kuò)展存儲模塊和CPLD模塊組成。
2.2.1 SAA7111A視頻采集模塊
　　系統(tǒng)為方便獲取超速車輛信息，擴(kuò)展了外部攝像頭接口，目前多數(shù)攝像頭都支持PAL/NTSC制式輸出。PAL/NTSC模擬視頻信號中不僅包含圖像信號，還包含行同步、行消隱、場同步、場消隱等信號。模擬視頻信號不方便遠(yuǎn)距離傳輸，因此需將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過視頻壓縮算法傳輸至監(jiān)控中心。SAA7111A集A/D與解碼功能于一身，既支持PAL電視制式，又支持NTSC電視制式，能夠很好地滿足本文的設(shè)計(jì)要求。
　　本系統(tǒng)中SAA7111A 的初始設(shè)定為一路模擬視頻信號輸人，自動(dòng)增益控制，625行50 Hz PAL制式，采用720×576的分辨率和4:2:2YUV格式(16 bit的數(shù)字視頻信號輸出)，設(shè)置默認(rèn)的圖像亮度、對比度及飽和度。由于本課題的圖像是黑白圖像，所以只需取8 bit的亮度信號即可從SAA7111A芯片中分離出狀態(tài)信號(行同步信號HREF、奇偶場標(biāo)志信號RTSO、像素同步時(shí)鐘LLC,LLC的二分頻LLC2等信號)。
2.2.2 擴(kuò)展存儲模塊
由于TMS320VC5502片內(nèi)的RAM只有32 KB,系統(tǒng)需要較大空間存放視頻數(shù)據(jù)，因此本系統(tǒng)對存儲空間進(jìn)行了擴(kuò)展，擴(kuò)展了64 KB的雙口RAM數(shù)據(jù)空間，雙口RAM主要用于存儲圖像，由于雙口RAM有2個(gè)獨(dú)立的訪問接口，對圖像的寫入（CPLD）和對圖像的讀出（DSP）可以同時(shí)進(jìn)行，有利于提高系統(tǒng)處理的速度和精度。并且也擴(kuò)充了1塊Flash(不易失的重復(fù)可讀寫存儲器)存儲器。主要為了DSP上電以后完成初始化加載程序(Boot Loader)，把固化在Flash 中的程序讀人DSP的片上RAM或者片外RAM映射的存儲空間。
2.2.3 CPLD部分設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)接口電路比較復(fù)雜，因此在SAA7111A的接口設(shè)計(jì)中采用CPLD完成。CPLD驅(qū)動(dòng)控制SAA7111A視頻圖像采集，將采集數(shù)據(jù)存放于雙口RAM中。系統(tǒng)上電初始化時(shí)CPLD對SAA7111A進(jìn)行配置。本系統(tǒng)選用Altera公司的EPM7128SLC84芯片，該芯片有門單元2 500個(gè)，邏輯宏單元128個(gè)，I/O引腳84個(gè)。在CPLD的設(shè)計(jì)過程中，采用了Altera公司的可編程邏輯器件和開發(fā)軟件Max+Plus Ⅱ。
2.3 串行通信接口
系統(tǒng)擴(kuò)展視頻監(jiān)控接口，輸入視頻信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過視頻壓縮算法打包通過串口傳送至監(jiān)控中心，考慮到監(jiān)控中心往往遠(yuǎn)離測試點(diǎn)，因此串口傳輸視頻數(shù)據(jù)選用RS-485傳輸方式。本設(shè)計(jì)選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3160，它是一種可編程的多協(xié)議收發(fā)器，能支持RS-232/RS-485/RS-422等傳送方式，其數(shù)據(jù)傳輸速率在RS-485/RS-422模式下可高達(dá)10 Mb/s,傳輸距離能達(dá)到1 200 m。系統(tǒng)采用MAX3160的RS-485傳輸方式，MAX3160的8和16引腳分別和TMS320VC5502的SP3(DSP第34引腳)、SP1(DSP第37引腳)相連[2]。
2.4 LCD顯示部分設(shè)計(jì)
由于本系統(tǒng)的顯示只是簡單的4位車輛行駛速度，因此選用了1塊二線式串行接口的液晶SMS0401。SMS0401有VSS(電源地)、CLK (串口移位脈沖輸入)、DI(串行數(shù)據(jù)輸入)及VDD(電源正極)4個(gè)接口。本系統(tǒng)把TMS320VC5502的McBSP0定義成一般通用I/O 口，讓McBSP0的DX0連接液晶的DI口，McBSP0的CLKX0連接液晶的CLK，電源VDD和VSS分別接系統(tǒng)的3．3 V電源和地。然后用McBSP0的CLKX0模仿CLK信號，再從McBSP0的DX0依次輸出數(shù)據(jù)，完成液晶顯示。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件的主要功能是實(shí)時(shí)采樣車輛的行駛速度，對超速車輛采集其視頻信號并把圖像數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示，系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)上電復(fù)位初始化、速度采樣、視頻采集、壓縮編碼和數(shù)據(jù)傳輸5個(gè)主要模塊。系統(tǒng)上電復(fù)位后，系統(tǒng)對DSP和CPLD進(jìn)行初始化，初始化主要包括：CPLD通過I²C總線初始化SAA7111、工作模式設(shè)置；DSP空間分配，EMIF的配置以保證外部存儲器的正常訪問；配置RS485串口模塊，設(shè)定DMA通道以及設(shè)定外部中斷，然后DSP等待CPLD的中斷，DMA讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行編碼。當(dāng)編碼結(jié)束后，DSP把數(shù)據(jù)交付RS485模塊。通過RS485總線傳送至上位機(jī)，同時(shí)DSP向CPLD發(fā)送空閑信號，通知CPLD繼續(xù)發(fā)送下一幀。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析
4.1 車輛速度采集
以一高速公路行駛的現(xiàn)代紅色轎車為例，根據(jù)測試的需要，設(shè)置超速上限為100 km/h，將采樣的數(shù)據(jù)存于DSP 2 048個(gè)RAM單元中，提取RAM單元數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB處理后輸出波形如圖4所示。

根據(jù)式(1)知，如果需要算出車輛的行駛速度，需測得測速雷達(dá)回波差頻信號的頻率。目前，測試頻率的方法有經(jīng)典譜估計(jì)方法和現(xiàn)代譜估計(jì)方法。經(jīng)典譜估計(jì)方法總體來說方差性能較差，分辨率較低，不能適應(yīng)高分辨率譜估計(jì)的需要?，F(xiàn)代譜估計(jì)從方法上大致分為參數(shù)模型估計(jì)和非參數(shù)模型估計(jì)，前者有AR模型、MA模型、ARMA模型、PRONY指數(shù)模型等,后者有最小方差方法,多分量的MUSIC方法等。其中，AR模型的正則方程是一組線性方程,而MA、ARMA模型是非線性方程。而且AR模型易于反應(yīng)信號的譜峰，本系統(tǒng)中的問題就是提取最大功率處的頻率，重點(diǎn)在于譜峰分析,所以AR模型比較符合系統(tǒng)的實(shí)際需要。AR模型的參數(shù)可以求解下面的方程得到。

多普勒雷達(dá)接收到的回波差頻信號經(jīng)過A/D變換后輸入TMS320VC5502計(jì)算得到的功率譜波形如圖5所示。

雷達(dá)信號輸入頻譜分析儀顯示的最大頻率為6.3 kHz，由圖5估計(jì)出的波形經(jīng)過譜峰搜索可以得到，估計(jì)后的頻譜最大值(多普勒頻率)對應(yīng)的頻率值為6.25 kHz。根據(jù)式(1)此時(shí)車輛速度達(dá)到118.78 km/h。計(jì)算得到誤差(6.3-6.25)/6.3×100％≈0．79％?？梢钥闯?經(jīng)過TMS320VC5502的運(yùn)算估算出的多普勒頻率誤差在1％之內(nèi)。
4.2 視頻圖像實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了靜止圖像的實(shí)時(shí)壓縮和高速傳輸。采用標(biāo)準(zhǔn)JPEG壓縮算法，每秒鐘可壓縮并傳輸5幀512×512×8的灰度圖像，性價(jià)比極高。JPEG壓縮編碼主要由預(yù)處理、DCT變換、量化、Huffman編碼等流程構(gòu)成。JPEG壓縮編碼時(shí)，需先將原始YcbCr空間的二維圖像分成8×8的數(shù)據(jù)塊，然后將各數(shù)據(jù)塊按從左到右，從上到下的順序分別進(jìn)行DCT變換、量化、“之”字型(Zig—Zag)掃描和Huffman編碼(量化和Huffman編碼分別需要量化表和Huffman表的支持)[3]，此處不作詳細(xì)描述。視頻圖像數(shù)據(jù)存儲于雙口RAM中，提取圖像數(shù)據(jù)MATLAB顯示結(jié)果如圖6所示。

視頻圖像經(jīng)JPEG壓縮后，通過RS485通信接口上傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)終端通過解壓縮算法把圖像還原出來，解壓縮后效果圖如圖7所示。
介紹基于TMS320VC5502 DSP的雷達(dá)測速監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用DSP+CPLD的方案,充分發(fā)揮了各自優(yōu)勢,經(jīng)過驗(yàn)證達(dá)到較好的實(shí)時(shí)效果。由于應(yīng)用了DSP分析多普勒頻譜，頻率估計(jì)更加準(zhǔn)確可靠，測速誤差在1％之內(nèi)。該系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、操作方便，能夠滿足目前國內(nèi)對速度檢測的要求，為交通管理部門對機(jī)動(dòng)車速度的監(jiān)控提供了重要手段。

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