西门子模块6ES7231-0HC22-0XA8代理直销

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毫米波雷达 汽车防碰撞

汽车防碰撞系统对提高汽车行驶安全性十分重要,该系统的研究一直倍受重视。从1971年开始,相继出现过超声波、激光、红外、微波等多种方式的主动汽车防碰撞系统,但是以上系统均存在一些不足,未能在汽车上大量推广应用。随着各国高速公路网的快速发展,恶通事故不断增加,为减少事故,先后采用行驶安全带、等保护措施,但这些技术均为被动防护,不能从根本上解决问题。毫米波是指波长介于1~10mm之间的电磁波,其RF带宽大,分辨,天线部件尺寸小,能适应恶劣环境,所以毫米波雷达系统具有重量轻、体积小和全天候等特点,“主动汽车毫米波防碰撞雷达系统”成为近年来国际上研究与开发的热点,并已有产品开始投入市场,前景十分看好。


本文介绍了主动汽车防碰撞毫米波雷达的原理,报导了我们研制出的SAE-100型毫米波防碰撞雷达样机。

汽车防撞毫米波雷达系统原理

主动汽车防碰撞是以雷达测距、测速为基础的。防撞雷达系统实时监测车辆的前方,当有危险目标（如行驶前方停止或慢行的车辆）出现,雷达系统提前向司机发出报警,使司机及时作出反应,同时雷达输出信号到达汽车控制系统,根据情况进行自动刹车或减速。

毫米波防撞雷达系统有调频连续波（FMCW）雷达和脉冲雷达两种。对于脉冲雷达系统,当目标距离很近时,发射脉冲和接收脉冲之间的时间差非常小,这就要求系统采用高速信号处理技术,近距离脉冲雷达系统就变的十分复杂,成本也大幅上升。因而汽车毫米波雷达防撞系统常采用结构简单、成本较低、适合做近距离探测的调频连续波雷达体制。

毫米波FMCW雷达系统结构

FMCW汽车雷达系统如图1所示,包括天线、收发模块、信号处理模块和报警模块或汽车制动装置。


射频收发是雷达系统的核心部件。国内外已经对进行了大量深入研究,并取得了长足的进展。已经研制出各种结构的,主要包括波导结构,微带结构以及的单片集成。国内研制的射频主要是波导结构。一个典型的射频主要包括线性VCO、环行器和平衡混频器三部分,如图2所示。混频输出的中频信号经过中频放大送至后级数据处理部分。数据处理部分的基本目标是不必要信号（如杂波）和干扰信号,并对经过中频放大的混频信号进行处理,从信号频谱中提取目标距离和速度等信息。

毫米波FMCW雷达测距、测速原理

雷达系统通过天线向外发射一列连续调频毫米波,并接收目标的反射信号。发射波的频率随时间按调制电压的规律变化。一般调制信号为三角波信号,发射信号与接收信号的频率变化如图3a所示。反射波与发射波的形状相同,只是在时间上有一个延迟(t,(t与目标距离R的关系可表示为

△t=2R/c （1）

式中c：光速


发射信号与反射信号在某一时刻的频率差即为混频输出的中频信号频率(f（如图3b）。根据三角关系,由图3a可以得出目标距离R为

R=(cT/4△F)△f （2）

也就是说,目标距离与输出的中频频率成正比。

如果反射信号来自一个相对运动的目标,则反射信号中包括一个由目标的相对运动所引起的多谱勒频移fd（如图4）。在三角波的上升沿和下降沿输出中频频率可分别表示为

fb+=△f-fd （3）

fb-=△f+fd （4）


式中——(f：目标相对静止时的中频频率;fd：多谱勒频移,其符号与目标相对运动的方向有关。

根据多谱勒原理,目标的相对运动速度v为

v=c/4f0(fb--fb+)

=λ(fb--fb+) （5）

式中——f0：发射波中心频率;：发射波波长。

速度v的符号与目标相对运动的方向有关,目标靠近时v为正值,反之v为负。三角波上升沿和下降沿的中频信号频率由DSP进行FFT变换得到。

由公式（2）和（5）就可以计算出目标距离和目标相对运动速度。



SAE-100型毫米波防碰撞雷达系统的研制

上海汽车电子工程中心经过近一年的研究,已经研制出SAE-100型毫米波防碰撞雷达系统样机。该样机采用零差FMCW体制,系统结构如图1所示,工作频率35GHz,测距范围>100m,测速范围>100km/h。系统采用了增益为26dB的小型喇叭天线,发射功率40mW的波导结构,以及先进的DSP数据处理技术。上面部分包括天线、和中频放大模块,尺寸为19cm(15cm(16cm,输出信号为经过放大了的中频信号。下面部分为数据处理和显示报警模块,可以显示目标距离和相对运动速度。当目标距离小于100m时,根据距离的不同可以用三种不同的音调进行报警。

（1）检测部分：由进料斗、输送带、CCD摄像头、图像数据采集电路等组成。开采出来的原煤常含有矸石，必须将矸石从传送带上挑选出来。CCD摄像头将煤与矸石图像送图像数据采集电路进行转换，转换后的信息送入ARM微控制器，通过CAN总线网络传送到PC机进行处理。

（2）识别与控制部分：由计算机、ARM微控制器和测控设备组成，它是整个系统的核心。根据模式识别算法计算出煤和矸石的灰分含量，ARM微控制器识别和判断出煤矸石后，完成控制动作。如果判断为煤，控制部分不动作，原煤自然落入煤料斗，从煤块通道运走。如果判断为矸石，发出控制信号，打开阀门，使矸石落入矸石通道。

（3）分拣机构：由阀门、物料斗和系统供电设备等组成，通过CAN总线网络，完成多个通道的煤和矸石的自动分选和运输。

芯片介绍

AT91M40800
AT91M40800是ATMEL公司基于ARM7TDMI核的16位/32位微控制器系列中具有较高性价比的一款芯片，其核心为高性能的32位RISC（Reduced Intro-duction Set Computer）体系结构，并具有16位（thumb）指令集。通过可编程的外部总线接口（EBI）直接连接到包括FLASH在内的各种片外存储器，8个**级的中断向量控制器和片内外围数据控制器显著提高了器件的实时性能。AT91M40800集成了ARM7DMIARMThumb处理器内核，提供了8kB的片内SRAM，8个片选线，32个可编程I/O口，软件可编程的8位或16位的数据总线，较大可寻址空间64MB，两个USART，每个USART有两个**的外围数据控制器通道，内置可编程的定时器，8个具有**级、可单独屏蔽的向量中断控制器，4个外部中断控制寄存器，4个外部中断，包括一个高**级、低延迟的中断请求，3个外部时钟输入，3通道16位定时器/计数器。

SJA1000
由于煤仓、矸石山与分选车间各自有一定距离，需要集中管理和信息处理。而现场总线技术可以把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。CAN通信速率较高可达1Mbps，直接传输距离较远可达10km（速率5kbps以下），可挂接设备较多达110个，可以完成多通道同时分选和运输任务。SJA1000是Philips公司生产的独立型CAN总线控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络，它是Philips公司半导体PCA82C200CAN控制器（BasicCAN）的替代产品，增加了新的工作模式（PeliCAN模式），可以方便的和不同模式的处理器相连接，组成CAN控制网络。

硬件接口电路设计

图2是SJA1000收发器与AT91M40800芯片的接口电路原理图。





图2　SJA1000与AT91M40800接口电路原理图

EPM7128用来完成接口间信号的转换与配置，EPM7128的输入来自AT91M40800的片选信号NCS2，数据线D0～D7，地址A0～A1，读信号NRD，写信号NWE和系统复位信号RST，经过内部的逻辑综合处理，产生SJA1000所需的功能信号。根据各芯片信号线的要求及端口地址的分配，可以写出CAN总线收发器的输入/输出逻辑关系表达式如下：

CAN=NCS2·A0
CANALE=NCS2?A0?（NRD+NWE）
CANRD=NRD
CANWR=NWE
CANRST=NCS2+RST

选定SJA1000的地址端口为400000H，数据端口的地址为400001H和复位端口地址为400002H。由于CAN控制器SJA1000的地址数据是复用的，通过ALE信号下降沿可以锁存总线上的地址信号。但是AT91M40800的地址总线和数据总线是单独提供的，不能直接与SJA1000的地址数据总线相连。所以要解决SJA1000与AT91M40800的接口问题，关键在于如何将访问SJA1000所需的信号送入其中。这里采用的办法是分两次I/O操作完成，**次往地址端口400000H送入地址值作为SJA1000的单元。此时，片选没有选通，数据锁存在AD0～AD7总线上。第二次访问数据端口400001H时，SJA1000被选中，在ALE信号作用下将**次的地址值写入SJA1000，CPU对SJA1000进行读/写操作。复位可以分为系统复位和程序复位两种。系统复位信号RST和程序复位信号在EPM7128中进行逻辑或操作，两者之一有效均可使SJA1000可靠的复位。

为了保数据通信的可靠性，在CAN总线终端各连接一个120Ω的终端反射电阻，进行总线阻抗匹配。SJA1000的TX1引脚通过10k8的电阻接地，RX1引脚电平必须维持在0.5Vcc以上。否则，不能形成CAN总线所需的逻辑电平。如果通信距离较近，环境干扰较小，可以不采用光电隔离电路6N137，这时，可以将82C251的VREF直接与RX1引脚相连，从而简化了电路。

ARM微控制器与CAN总线的数据通信

AT91M40800通过外部总线接口（EBI）产生访问片外存储器和外部器件的信号，EBI支持不同的访问协议，可实现对外部器件的单周期访问，设计中EBI的设置为：（1）选择8位数据总线 ；（2）选择标准读协议 ；（3）选择8个周期的等待时间 ；（4）片选线NCS2的基地址为400000H。所有程序均采用AT91库的C语言编写，它具有可读性强、容易移植、开发简单、调试方便等优点。正确的初始化是程序正常运行的基础，系统的初始化主要是AT91M40800微处理器和SJA1000的初始化（SJA1000工作晶振16M），

物流在现代社会中正扮演着越来越重要的角色。但是，与国外技术密集型的物流相比，国内物流在信息化、智能化程度上还存在着较大差距。鉴于这样一种状况，本文提出了一个基于bbbbbbsCE平台的物流车载终端设计方案。该物流车载终端以阿尔泰ART270开发板为硬件平台，在嵌入式操作系统bbbbbbs CE上实现的功能有：电子地图，实现地图4级缩放、平移、归中功能；无线通信，实现终端与控制中心的GPRS无线通信；GPS定位，定位车载终端当前的位置；语音提示，提供更好的人机交互功能。

1 软硬件平台简介
本车载终端以ART270板为硬件平台。ART270是北京阿尔泰科技推出的一款基于Inbbb XScale PXA270处理器的高端ARM开发平台，性能高，功耗低，接口丰富，功能强大，适合作为语音系统、指纹识别、PDA终端、车载GPS导航、无线上网、数码媒体播放、工业控制等设备的开发参考，也是高等院校高级嵌入式软硬件开发教学的可以选择平台。
PXA270是Inbbb于2004年4月发布的XScale处理器家族的升级产品，较高主频达624MHz。该款芯片把X86架构奔腾4系列上的多媒体扩展功能引入到了Xscale芯片组的产品线中，用户通过这个无线多媒体扩展技术(MMX)可以在掌上设备上播放高质量的视频和玩三维游戏。同时，PXA270还加入了Inbbb SpeedStep动态电源管理技术，在保证CPU性能的情况下，较大限度地降低移动设备功耗。PXA270处理器已经成为高端移动设备中较受欢迎的处理器之一。

ART270采用240Pin核心板加底板的配置，使得调试和应用更加方便，使用户有更灵活的扩展方式。核心板上集成PXA270 嵌入处理器、64MB SDRAM、32M Nor Flash、总线驱动、电源管理芯片等，结构紧凑；底板上提供CPLD，LCD接口，AC97音频输入输出接口，100M网口，USB Host/Device接口，串口，JTAG接口，VGA接口，外扩高精度时钟芯片等，另外，一个扩展总线接口使用户可以根据自己的需要自由扩展。

本设计方案采用bbbbbbsCE作为软件平台。bbbbbbsCE是一种针对小容量、移动式、智能化设备的多任务、抢占式、模块化实时嵌入式操作系统。bbbbbbs CE具有与桌面bbbbbbs几乎完全兼容的API接口，为了配合bbbbbbsCE上的应用程序开发，微软公司推出了bbbbbded Visual C++(简称 “eVC”)集成开发环境。本系统采用的是eVC 4．O。

2 硬件模块
2.1 GPS模块
阿尔泰GPS 扩展模块是一种种低功耗GPS模块。 模块板上集成天宝新型lassen IQ 12路低功耗快速定位GPS接收模块，性能良好; 采用RS232串口与设备联接，与GPS通信的各种协议相兼容，方便用于研发; 外接电源采用常见的5V电源，3V锂电池作为lassen IQ模块的后备电源，存储星历数据; 可接3.3V有源天线，扩展板配有紧凑型磁性封装天线，这种天线适用灵活、可动安装。模块集成一个RS232串口，可通过跳线配置为不同的lassen IQ输出端口，使用不同的通信协议; 在工作状态下，GPS的功耗为96mW。使用不同的协议可实现1Hz更新速率; 三种传输协议：TSIP、TAIP(天宝标准界面协议)和NMEA0183协议;三种协议可灵活通过软件或跳线配置。在本设计中使用了此模块，较好的实现了GPS定位分析的效果。GPS性能：
• ：L1（1575.42MHz），C/A码，12通道，连续追踪，32位CPU
• 更新率：TISP 1Hz NMEA 1Hz
• 精度：水平 <5米（50%），<8米 () 垂直精度 <10米(50%) ，<16米()
• 操作限制：高度<18000米或者速度<515米/秒
• 捕获时间：再次捕获：<2秒()
• 冷启动/温启动/热启动/分别是15分/38秒/10秒
• 动态范围：加速度 4g／39.2米/秒2

2.2 GPRS模块
阿尔泰GPRS模块支持三频GSM/GPRS 900/ 1800/ 1900 MHz，采用SIM300GSM/GPRS模块，提供标准的RS-232接口，工业标准设计，使其能以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输，可直接与上位机设备透明通讯，在PC机上用AT命令通过串口对它进行设置，是小体积即插即用模块中完善的三频GSM/GPRS 解决方案，能应用于许多方面。

本车载终端采用GPRS Modem与控制中心进行无线数据通信，对GPRS Modem的控制和读写通过串口进行。由于与控制中心交互的数据种类较多，因此定义了相应的应用层数据包格式。数据包的所有字段均采用单字节ASCII编码且为固定长度。在发送端，数值型字段需要在发送前格式化为定长字符串再封装到数据包中；在接收端，需要将数据包中的格式化字符串还原为数值型常量。数值型字段不足部分以字符“O”为前导字符进行填充；字符型字段不足部分以空格(SPACE，0x20)为前导字符填充。字符串型字段的长度不包括字符串结尾的NULL字符(在C语言中为0x00)。所有采用UNICODE编码的字符数据在封装到数据包中之前必须进行转换。

定义的数据包主要有以下几类：客户端位置更新数据包；客户端接件信息数据包；客户端送达签收数据包；服务器新任务数据包；客户端确认数据包；服务器确认数据包；客户端车辆故障数据包；客户端道路堵塞数据包。

为了能够正确解析数据包中的数据，所有数据包都具有相同的包头(head)，即数据包类型(packet type)，时间戳标记(time stamp)、数据包顺序号(packet sequencenumber)3个字段。当接收到一个数据包之后，根据包头中的类型字段就能判断该数据包主体部分的长度，由此即可正确解析出包中的内容。包头之后是数据包主体(body)部分，不同数据包类型有着不同的字段和长度。上述8种定义类型之外的数据包均为未定义类型，应当被丢弃。类型为NTSK、TMLF、RCNG的数据包需要接收端的确认；而RECV、SEND、UPDT、CACK、SACK这5种类型的数据包不需要确认。

GPRS Modem的与接收是通过串口编程来实现的。bbbbbbs CE平台上的串口编程依赖于与文件相关的API接口：CreateFile()打开串口，ReadFile()从串口读取数据，WriteFile()向串口写入数据。由于网络数据包的到来是一个异步过程，因此还需要处理串口的异步事件：GetCommMask()取得串口已经设置的事件，setCom-mMask()设置串口事件集，WaitCommEvent()等待预先设置的串口事件集中的某一事件发生。