基于DSP的车载雷达测速系统设计

经典

《自动化技术与应用》２００６年第２５卷第７期

计算机应用

Computer applications

基于ＤＳＰ的车载雷达测速系统设计

唐　　伟，孙志芳，陈　　全

（长江大学计算机科学学院，湖北　　荆州　４３４０２３）

摘　　要：针对运行中火车测速，运用多普勒效应，采用ＤＳＰ设计雷达测速系统，并阐述了其基本设计思想与工作原理。给出系统

硬件、软件设计结构和原理图，改善了原有光电测速精度，提高了系统工作稳定性和可靠性，经实验证明ＤＳＰ采集板工作稳定，测速效果好。

关键词：ＤＳＰ；　雷达测速；　多普勒效应

中图分类号：ＴＪ３１０．３５　　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００３－７２４１（２００６）０７－００２０－０３

On Board DSP-Based Radar Speed Measurement System

TANG Wei, SUN Zhi-fang, CHEN Quan

(Dept.of computer Science,Yangtze University,Jingzhou 434023,China)

Abstract: This paper presents a DSP-based train speed measurement by using Doppler radar. The structure of the system is

introduced.The hardware and software are also discussed.

Key words: DSP; rader speed measurement; doppler principle

１　　引言

目前，我国列车机车的运行速度装置主要都是采用光电式测速传感器来测速。它的低速测量精度高。但测速１５０公里以上时，存在着精度问题。随着我国多次提速的发展，对于原来使用的光电式测速传感器进行速度采集的测速装置系统提出了新的要求，参照国外的高速列车测速装置的发展情况，我们对目前专为我国铁路市场开发的Ｓ３雷达测速传感器进行全面的测试。由于现在ＤＳＰ已经广泛应用在通信、计算机、工业控制领域［３］，使用ＤＳＰ为处理核的雷达测速系统对目前车载雷达测速系统主要以光电测速方式进行测量的现状具有重要的意义。

变化采用Ｃｈｉｒｐ－Ｚ变换处理，使用ＤＳＰ的内核实时处理反映当前速度值变化，每０．０４秒输出一个脉冲形式的速度信号，测量分辨率达到０．５Ｋｍ／Ｈ，低速段误差范围控制在５％，高速段误差范围控制在１％。

基本设计概念和处理流程：

Ａ、基本设计概念：Ａ／Ｄ按照５０ＫＨｚ的采样频率采集多普勒频移信号，接口ＦＰＧＡ把这些采样值缓存在双口ＲＡＭ中，每缓存２Ｋ×１６ｂｉｔ的雷达采样数据向ＤＳＰ发送Ｉｎｔ７中断，ＤＳＰ的中断处理程序把这一帧的值滤波后进行ＦＦＴ变换，再取频谱的最大值的下标，再把下标转换成频率值，再由公式转换出当前速度值。

Ｂ、系统框图：

２　　设计思想和系统框图

雷达测速仪是应用多普勒效应原理，即移动物体对所接收的电磁波有频移的效应，由接收到的反射波频移量计算得出被测物体的运动速度。它集计算机软件技术，通信技术，测控检测技术为一体，对微量信号

收稿日期：２００６－０２－２４图１　系统框图

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图１中，各方框表示系统组成的各个单元功能模块；图中实线部分表示各部分数据或信号连接，虚线部分为电源供应部分。

４．１应用层软件分为５个模块

１、信号采集模块：ＤＳＰ每次中断，读取从ＦＰＧＡ中按ＤＭＡ方式发送过来的帧数据。

２、滤波模块：直接使用ＦＩＲ低通滤波，通过加窗函数实现。

３、Ｃｈｉｒｐ－Ｚ变换模块：按照Ｃｈｉｒｐ－Ｚ变换进行频谱分析，计算出临时ｆｄ附近的频谱。这一步先在Ｍａｔｌａｂ中仿真并直接产生代码。

４、瞬时速度模块：按照Ｃｈｉｒｐ－Ｚ变换分析的频谱，求出频谱的最大值对应的下标，按照下标求出频率，按照频率求出速度。

５、输出模块：信号通过ＲＳ４８５输出，建立ＤＳＰ和主机板的通信协议。

３　　系统硬件设计和功能

ＤＳＰ是整个设备的核心部分，包括运算器和控制器，而ＴＭＳ３２０Ｃ６７０１还将外围电路部件的定时计数器、中断控制器、ＤＭＡ控制器、多功能串口等集成的ＤＳＰ中。其中雷达探头将速度变换成微弱的正弦波信号。ＳＤＲＡＭ、ＳＳＲＡＭ作为同步动态数据存储器，是系统数据存储器之一。ＦＬＡＳＨ用作程序存储器，存放系统程序。时钟Ｙ１是ＤＳＰ外部的时钟，为ＤＳＰ提供时钟。时钟Ｙ２作为ＦＰＧＡ外部时钟，为ＦＰＧＡ提供时钟。Ａ／Ｄ转换将模拟的信号转换成数字量的信号输出到ＦＰＧＡ。

数据传输：系统可用三种方式作数据的输出。分别是脉冲方式、Ｉ／Ｏ串口方式和ＭｃＢＳＰ串口方式。输出的数据是检测到的速度值。

ＦＰＧＡ：实现三部分的功能。第一部分，对Ａ／Ｄ进行控制；第二部分，对Ａ／Ｄ转换的数据进行采集，并缓存在ＦＰＧＡ内存中，由ＤＳＰ响应中断再发送给ＤＳＰ处理；第三部分，接受ＤＳＰ的控制信号。

信号放大：对微弱的电信号进行放大，系统是用有源器件对微弱的速度电信号放大到系统所需的电信号。

电源：系统电源部分由１２Ｖ直流电输入。经过变换为系统分别提供８Ｖ、±５Ｖ、３．３Ｖ、１．８Ｖ和１．５Ｖ直流电输出。

电路设计中为了提高系统运行的运行可靠性，对各部分电路作了分别接地和敷铜等多种方法处理。

４．２　程序工作流程

信号首先由ＦＰＧＡ进行Ａ／Ｄ转换，采样频率值可选，由ＤＳＰ决定。采集过程当缓冲区数据满时，ＦＰＧＡ产生中断信号，ＣＰＵ响应中断，总线控制权交给ＤＭＡ开始读取块数据，同时对接收数据进行去直流分量，分实部、虚部为数据分配存储空间。注意在程序实现时将数据在经过缓冲区时进行分帧处理。

滤波模块完成的工作：处理后的信号含有一定的干扰信号，使用软件滤波将频率范围外的高频、工频干扰消除。首先用Ｍａｔｌａｂ模拟窗函数系数，使用循环卷积对输入信号进行ＦＩＲ滤波。

Ｃｈｉｒｐ－Ｚ变换模块完成的工作：对输入信号经Ｃｈｉｒｐ－Ｚ变换求出临时ｆｄ附近频谱，根据频谱分析理论和在仿真软件Ｍａｔｌａｂ下仿真知，该算法能估计出信号的主频，而且抗干扰能力强，实现简单。此变换是整个系统软件中的核心。

瞬时速度模块分为三个部分实现：频谱最大值及下标计算、起始角度更新计算、速度计算。

输出模块：测得的速度信号值经ＲＳ４８５接口输出。

４　　系统软件设计和功能

软件系统采用了流行的面向对象的设计思想和模块化的设计流程，并且采用了分层设计的原则，充分利用ＴＩ公司提供的相应数字信号处理库进行设计件框架图如下：

［１］

，其软

４．３　ＤＳＰ系统引导设计和ＦＬＡＳＨ烧写

ＴＭＳ３２０Ｃ６７０１在进行引导工作中，首先进行ＤＳＰ上电复位，程序段存储在外部Ｆｌａｓｈ，ＤＳＰ自动将位于地址空间ＣＥ１（０ｘ１４０００００～０ｘ１４３００００）开头的６４ＫＢ代码通过ＥＤＭＡ方式传输到ＤＳＰ的ＥＭＩＦ（本设计为ＳＢＳＲＡＭ）的地址空间０ｘ４０００００处。ＲＯＭ中的程序以ｌｉｔｔｌｅ　ｅｎｄｉａｎ格式存储。数据传输采用默认时序，

图２　系统软件框架图

ＳＳＴ３９ＶＦ４００的数据宽度为１６ｂｉｔ，由ＥＭＩＦ自动将两次

（下转第３２页）

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　工业控制与应用

Industry Control and applications

护人员的劳动强度。［３］　Ｇａｒｙ　Ｅｎｔｓｍｉｎｇｅｒ　精通Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ　３编程［Ｍ］．北京：　清华大学出版社，　１９９５．４．

参考文献

［１］　ＨＳＩＡＮＧ　ＣＨＥＮＧ　ＨＣ６０００电力监控仪使用说明书［Ｚ］．　内部资料　１９９８．７．

［２］　ＡＤＶＡＮＴＥＣＨ　　ＡＤＡＭ５０００　Ｕｓｅｒ’ｓ　Ｍａｎｕａｌ［Ｚ］．研华公司，　１９９８．１０．

［４］　张维青．准北电网能量管理系统（ＥＭＳ）的应用［Ｊ］．自动化技术与应用，２００４，２３（８）：７５－７７．

作者简介：裴福昌（１９６０－），男，高工，长期从事工业电气自动化控制的设计调试工作。

（上接第２１页）

读入数据合并为３２ｂｉｔ数据。这整个过程为程序的自引导。由于我们代码长度大于６４ＫＢ，还需程序来引导多余长度代码的转换工作。在命令文件中，设计将．ｃｉｎｉｔ装载到外部ＲＯＭ中，而运行地址在片内数据区。用代码完成．ｃｉｎｉｔ从外部ＲＯＭ中搬到片内数据区，使其能

在Ｃ编程环境下进行正确的初始化工作。

烧写过程采用在线编程的方式对ＦＬＡＳＨ存储器进行操作，通过ＪＴＡＧ仿真器运行程序，将可引导代码在线烧录到ＦＬＡＳＨ中，然后通过ｂｏｏｔ．ａｓｍ实现系统的自引导，让应用程序在ＤＳＰ中跑起来［２］。其流程可分为ＤＳＰ初始化，ＦＬＡＳＨ擦除，ＦＬＡＳＨ编程，校验，数据读入及编程。

５　　结论

火车载雷达测速系统的研制于２００５年年底完成，室内测试结果显示高速阶段测量误差符合标准，性能稳定，具有灵活性强、易于升级换代，它与光电测速仪相结合可以很好地满足车载测速。

参考文献：

图３　Ｃｈｉｒｐ－Ｚ变换算法逻辑

［１］　ＴＭＳ３２０Ｃ６０００　Ｃｈｉｐ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｌｉｂｒａｒｙ　ＡＰＩ　ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＧｕｉｄｅ．　Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ［Ｚ］，　Ａｕｇｕｓｔ　２００４．

［２］　ＴＭＳ３２０Ｃ６０００　ＥＭＩＦ　ｔｏ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ　ＦＬＡＳＨ　Ｍｅｍｏｒｙ［Ｚ］．Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，１９９９．

［３］　高瑞昌，孙昌国．ＤＳＰ在测速中的应用［Ｊ］．自动化技术与应用，２００４，２３（３）：７１－７３．

作者简介：唐伟（１９６７－），男，工程师，在职硕士，研究方向：计算机检测与控制。

图４　ＴＭＳ３２０Ｃ６７０１烧写流程

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2zbe.html