介紹了現(xiàn)今流行的單片射頻收發(fā)芯片nRF24E1與具有相關(guān)運算功能的特殊芯片TMC2023的性能特點;闡述了信號處理當中的相關(guān)運算理論,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)當中,從而增強了汽車防撞系統(tǒng)的防撞能力。 　 　隨著時代的發(fā)展及社會的進步,越來越多的汽車進入了普通人的家庭。盡管公路條件在不斷改進,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;能向司機及乘客提前發(fā)出即將發(fā)生撞車危險的信號,促使司機甚至撇開司機采取應(yīng)急措施處理特殊險情,避免損失。當前,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驗研究,已經(jīng)達成共識,若想有效地解決上述問題,防撞系統(tǒng)必須具有如下功能: 　?。?）必須具備測角能力,目標的方位角信息對于去除虛警是必不可少的; 　?。?）易于產(chǎn)生抗干擾性能強的復(fù)雜發(fā)射信號,配合實時高效的信號處理和目標檢測算法,用以去除虛警。 　　只有以上兩點緊密結(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芯片特點介紹 　　TMC2032是一種新型的全數(shù)字相關(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)部有三個獨立時鐘的8位移位寄存器（隨機數(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之間任意長的隨機數(shù)據(jù)與本地碼經(jīng)相關(guān)運算后, 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,則標志位由低變高。由于采用了先進的高速CMOS生產(chǎn)工藝,并行相關(guān)速率高達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,尤其適合于雷達信號的識別。 　　nRF24E1是一種工作頻率可達到2.4GHz的無線射頻收發(fā)芯片,通道運算時間小于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?shù)汀? 　　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中央處理器相連,中央處理器負責(zé)計算它們傳過來的數(shù)據(jù),根據(jù)實際情況作出決策。 　　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)運算芯片TMC2032送來的調(diào)制信號對其進行調(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,為接收做好充分準備。為了使電磁波信號能夠有足夠遠的傳播距離,還需要對調(diào)制后的信號進行放大,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。 　 [align=center] 圖1 射頻收發(fā)核心電路[/align] 　　當發(fā)出去的電磁波遇到障礙物返回時,首先要經(jīng)過相關(guān)運算芯片TMC2032對之進行識別,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。 [align=center]圖2 汽車防撞系統(tǒng)傳感器分布示意圖 圖3 障礙物距離計算示意圖[/align] 　　障礙物距離計算示意圖如圖3所示,其中A、B、C三點分別代表安裝在車頭前的三個超聲傳感器;E點代表障礙物;則EF表示從E點到水平面的距離,FG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: 　　SΔABC＝ 　　式中,S=1/2（T1+T2+T3）,T1、T2、T3分別表示線段AB、BC、AC的長度 故　BD=2SΔABC/AC 　　 　　 　　在ΔADE中, 　　 　　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。偽隨機編碼是用邏輯運算實現(xiàn)的,信號的自相關(guān)函數(shù)滿足: 　　 　　可見,當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); 　　稱為x1（t）,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行檢測,同時還要對回波信號和發(fā)射信號的延時進行精確的測量。這樣才能準確地知道無線電波傳播所用的時間,進而算出障礙物與車之間的距離。 　　本文運用先進的射頻技術(shù)與穩(wěn)定可靠的相關(guān)算法,使汽車具有較強的防撞能力。上述總體設(shè)計方案在實驗小車上已經(jīng)實現(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的抗干擾能力,這樣就能夠使汽車具有較強的防撞能力。盡管如此,因為汽車行駛過程當中關(guān)系著人的生命安全,所以其性能還有待進一步提高, 以增強整個系統(tǒng)的絕對安全性,進而對之進行推廣。 　　參考文獻 　　1 胡樹豪.實用射頻技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社,2004 　　2 任冠眾,寧永蘭.相位測量技術(shù).電測與儀表,2002（9）: 41～60 　　3 張 銘, 劉銀峰, 黃河.基于nRF401的PC機無線收發(fā)模塊的設(shè)計.電子技術(shù)應(yīng)用,2002;28（4）:76～79 　　4 TRW Product Summary. 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