文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2010)12-0078-04
目前,，車輛測(cè)速方法主要有線圈測(cè)速,、光電式測(cè)速、雷達(dá)測(cè)速,、視頻測(cè)速等,。線圈測(cè)速多為埋設(shè)式,車輛通過線圈時(shí),，會(huì)引起線圈磁場(chǎng)變化，檢測(cè)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(cè)精度會(huì)大大降低,。光電式測(cè)速在低速測(cè)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(cè)速是目前檢測(cè)車輛超速行駛的主要方式，但大多數(shù)雷達(dá)測(cè)速儀采用的計(jì)數(shù)鑒頻方法測(cè)試精度不高,、電路復(fù)雜,、測(cè)量功能單一，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用,。視頻檢測(cè)的測(cè)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(shí)別方法對(duì)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(cè)得的速度誤差較大,。
本系統(tǒng)采用DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,，利用頻譜分析技術(shù)捕捉雷達(dá)回波信號(hào)的多普勒頻移來計(jì)算汽車的速度,可大大提高測(cè)速精度。本文所設(shè)計(jì)的基于DSP的雷達(dá)測(cè)速監(jiān)控系統(tǒng)提高了測(cè)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(duì)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(cè)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,，fD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(cè)出fD就可以計(jì)算出被測(cè)車輛的速度。系統(tǒng)一旦檢測(cè)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(hào)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(hào)處理通道
此部分主要由雷達(dá)傳感器模塊和雷達(dá)信號(hào)處理模塊兩部分組成,。
2.1.1雷達(dá)傳感器
本系統(tǒng)的測(cè)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(hào)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(duì)應(yīng)的差頻信號(hào),即差拍中頻信號(hào),，該信號(hào)頻率范圍為10~100 000 Hz(和被測(cè)物移動(dòng)速度有關(guān))，速度越快頻率越高,?；夭ú铑l信號(hào)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(cè)移動(dòng)目標(biāo)接近探測(cè)傳感器時(shí)的波形,，圖2(b)為被測(cè)移動(dòng)目標(biāo)遠(yuǎn)離探測(cè)傳感器時(shí)的波形。
2.1.2 雷達(dá)信號(hào)處理模塊
回波差頻信號(hào)隨目標(biāo)遠(yuǎn)近幅度在1 mV~100 mV之間變化,，回波信號(hào)較微弱,，容易受外部信號(hào)干擾，需對(duì)回波中頻信號(hào)進(jìn)行放大至30 mV~3 V之間,?；祛l后的多普勒信號(hào)經(jīng)中頻放大后由AD7274以1．25 MHz的頻率對(duì)信號(hào)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(hào)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(chǔ)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(hào)中不僅包含圖像信號(hào)，還包含行同步、行消隱,、場(chǎng)同步,、場(chǎng)消隱等信號(hào)。模擬視頻信號(hào)不方便遠(yuǎn)距離傳輸,，因此需將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),，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(hào)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(hào)輸出),，設(shè)置默認(rèn)的圖像亮度、對(duì)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(hào)即可從SAA7111A芯片中分離出狀態(tài)信號(hào)(行同步信號(hào)HREF、奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)RTSO,、像素同步時(shí)鐘LLC,LLC的二分頻LLC2等信號(hào)),。
2.2.2 擴(kuò)展存儲(chǔ)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(duì)存儲(chǔ)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(chǔ)圖像，由于雙口RAM有2個(gè)獨(dú)立的訪問接口,，對(duì)圖像的寫入（CPLD）和對(duì)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(chǔ)器)存儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(hào)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(cè)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(jiǎn)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(hào),，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(duì)超速車輛采集其視頻信號(hào)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(duì)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(chǔ)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(hào),，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(cè)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(cè)得測(cè)速雷達(dá)回波差頻信號(hào)的頻率,。目前,，測(cè)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。現(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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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(chǔ)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(cè)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(shì),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(cè)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(duì)速度檢測(cè)的要求,，為交通管理部門對(duì)機(jī)動(dòng)車速度的監(jiān)控提供了重要手段。
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