基于nRF24E1与TMC2023的汽车防撞系统

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 摘要：介绍现今最流行的单片射频收发芯片nRF24E1与具有相关运算功能的特殊芯片TMC2023的性能特点；阐述信号处理当中的相关运算理论，并将该理论与以上述两个芯片为核心的电路结合，用于汽车防撞系统当中，增强汽车防撞系统的能力。

    关键词：射频收发 相关运算 防撞系统 nRF24E1 TMC2023

引 言

　　随着时代的发展，社会的进步，越来越多的汽车进入了普通人的家庭。尽管公路条件在不断改进，仍然避免不了公路上汽车拥挤的现状，再加上车速逐渐提高，恶性交通事故无时无刻不在发生，给人们和社会带来了巨大的生命与财产损失。

图1

　　汽车防撞系统是一种可向司机预先发出视听告警信号的探测装置。它通常安装在汽车上，能探测企图接近车身的行人、车辆或周围障碍物；能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号，促使司机甚至撇开司机采取应急措施来应付特殊险情，避免损失。当前，尽管各国都在研究防碰撞系统，但怎样才能更好地解决虚警的问题，始终困扰着相关工作者。国际上的研究者通过大量的实验研究，已经达成共识，防撞系统若想有效地解决上述问题，必须使其具有如下功能，即：

① 必须具备测角能力。目标的方位角信息对于去除虚警是必不可少的。

② 设计出易于产生、抗干扰性能强的复杂发射信号，配合实时高效的信号处理和目标检测算法，以去除虚警。

　　只有以上两点紧密结合起来，才能保证汽车防碰撞系统的可靠性。

1 芯片特点介绍javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

   （1)相关运算芯片TMC2032

　　TMC2032是一种新型的全数字相关器电路，其相关字长和相关门限可编程。该芯片是由美国TRW公司近年推出的单片64位CMOS全数字相关大规模集成电路。其内部有3个独立时钟的八位移位寄存器：随机数据寄存器A、本地码寄存器B和屏蔽码寄存器M；1个七位BCD编码输出，并与预置的门限值在比较器中比较。若相关值大于或等于门限值，则标志位由低变高。由于采用了先进的高CMOS生产工艺，并行相关速率高达30Mbps以上；可广泛用于同步、匹配滤波、误码检测、记录及条形码识别等，尤其适合雷达信号的识别。

    (2)射频收发芯片nRF24E1

　　nRF24E1是一种工作频率可达到2.4GHz的无线射频收发芯片。内部嵌有与8051兼容的微处理器和10位9输入的A/D转换器，可以在1.9~3.6V之间的电压下稳定工作。其内部还有电压调整器和VDD电压监视，通道形状时间小于200μs，数据速率1Mbps，不需要外接SAW滤波器。nRF24E1是目前世界首次推出的全球2.4GHz通用的，完整低成本射频系统级芯片。无线收发部分有与nRF2401同样的功能。该功能由外部并行口和外部SPI启动，每一个待发信号对于处理器来讲都可以作为中断来编程，或者通过GPIO端口实现。nRF24E1是一个可以在世界公用的频段范围(2.4~2.5GHz)内实现无线通信的芯片。收发机包含1个完全集成的分频器、放大器、调节器和2个收发单元。输出能量、频段和其它射频参数，可通过射频寄存器方便地编程调节。在发送模式下，电流消耗只有10.5mA；在接收模式下，只有18mA，所以功耗相当低。

2 系统结构

　　 整套信息采集系统由5套射频发射与接收装置组成，每套发射与接收部分的基本电路都是一致的。图1是射频收发的核心电路。这5 套收发系统又与DSP中央处理器相连。中央处理器负责计算它们传过来的数据，然后由其根据实际情况作出决策。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

　　每套发射与接收装置的结构如图1所示。首先，由以nRF24E1为核心的射频发射电路发出高频电磁波，在发出之前，由相关运算芯片TMC2032送来的调制信号对其进行调制，从而产生出与其它射频收发单元不同的射频信号，为接收做好充分准备。为了使电磁波信号能够有足够远的传播距离，还需要对调制后的信号进行放大，完成这个功能的电路就是功放电路。最后，把这样的一个信号传向空中。

　　当发出去的电磁波遇到障碍物返回时，首先要经过相关运算芯片TMC2032进行识别：若是同组发射部分发出去的，则接收，并把这个信号进一步传给射频接收部分。接收芯片通过这样的电磁波在空中传播而产生的相位移，计算出其传播所耗的时间，再计算出障碍物与该组收发部分的距离。最后，把这个距离信息送给中央处理器。中央处理单片机要同时对5 组射频收发单元传过来的距离信息作出计算，得知所测的障碍物与车的立体方位距离。到此，障碍物的信息采集工作基本已经做完，剩下的就是把这个综合信息再传给更高级的中央处理器，让其作出最后决策。

3 收发单元的布置方案及计算示例

　　由于汽车在行驶的过程当中，对于前方的障碍物要能够判断其相对于汽车的空间立体方位，才能把前后、左右、上下的障碍物避开；而后面的则只需判断出其与汽车的前后及左右距离即可。所以采取了车前面安装三个射频收发系统，并且三套收发系统彼此之间呈垂直于水平面的三角形分布；后面的则安装两套射频收发系统，呈水平分布。整个收发系统的安装如图2所示。图3中，给出了用射频收发系统计算障碍物距离的简单过程。

　　已知由S1、S2、S3、T1、T2、T3所组成的立体障碍物距离计算示意如图3所示。其中A、B、C三点分别代表安装在车头

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