中心論題：
- 系統(tǒng)組成及工作原理
- 硬件電路設(shè)計
- 系統(tǒng)軟件設(shè)計
- 系統(tǒng)測試
解決方案：
- 詢問單元設(shè)計和信號后處理單元設(shè)計
- 系統(tǒng)軟件設(shè)計
車輛識別系統(tǒng)的研究起始于二十世紀(jì)70年代,最早采用光學(xué)與紅外技術(shù), 其環(huán)境適應(yīng)性較差,且車輛的最大車速限制為70km/h,已逐漸被淘汰。
SAW技術(shù)是一種新興的識別技術(shù)。它采用編碼的SAW傳感器作為ID標(biāo)簽,無任何連線,具有低能耗﹑抗干擾能力強﹑體積小等優(yōu)點,特別適用于強電磁干擾環(huán)境下高速運動車輛的非接觸式測量。
本文設(shè)計了一種基于SAW技術(shù)的車輛自動識別系統(tǒng), 可應(yīng)用于不停車車輛識別,為高速公路車輛收費系統(tǒng)提供了一種高效的解決方案,車輛識別距離10m,最高車速120km/h。識別碼長度32位,可識別的車輛數(shù)目為232。該系統(tǒng)可全天候工作于野外環(huán)境中。
系統(tǒng)組成及工作原理
SAW傳感器構(gòu)成的車輛識別系統(tǒng)由一個裝載在高速運動車輛上的SAW傳感器標(biāo)簽、一個帶主動式天線的詢問單元和一個信號后處理單元組成。如圖1所示。
SAW標(biāo)簽由傳感器天線、壓電基片、叉指換能器和經(jīng)傳感器體外編碼的反射極組成。
傳感器天線接收由遠(yuǎn)處詢問機發(fā)送來的詢問電磁脈沖信號,通過叉指換能器轉(zhuǎn)化為聲表面波,遇到反射條后形成回波,回波通過叉指換能器重新轉(zhuǎn)化為電磁波并再次通過天線發(fā)射出去。這些回波信號形成了由晶體表面的反射條的數(shù)目和位置決定的脈沖序列,它類似于條形碼圖案,每個脈沖的時間延遲取決于SAW傳播速度。信號后處理單元對脈沖延遲變化進行估計,實時解調(diào)出識別碼。
硬件電路設(shè)計
a.詢問單元設(shè)計
圖2為詢問單元方框圖。它由發(fā)射機、接收機、本地振蕩模塊等部分組成。
本地振蕩模塊:在本系統(tǒng)中共需要三個頻率,即750MHz、330MHz和165MHz,它們由頻率綜合器產(chǎn)生。頻率綜合器采用AD公司的ADF4127L,它是一款電流型雙頻頻率合成器,能同時提供射頻/中頻兩個頻率, 采用SPI接口控制,通過FPGA芯片對其內(nèi)部寄存器進行配置。
ADF4127L產(chǎn)生的輸出頻率,被VCO鎖定在330MHz和750MHz。330MHz的VCO采用MAX2608,它可產(chǎn)生300MHz~500MHz的頻率；750MHz的VCO采用Mini公司的Pos-1050型,頻率范圍為685MHz~1025MHz。
750MHz信號經(jīng)功率分配器分別提供給發(fā)射機的上變頻和接收機前端的下變頻部分。330MHz信號一路提供給接收機的檢波器,另一路經(jīng)二分頻產(chǎn)生165MHz頻率。功率分配器選用Mini公司的LRPS-2-4J,具有很低的電壓駐波比。二分頻選用Microwave公司的低噪聲二分頻器HMC361S8G。
發(fā)射機:FPGA產(chǎn)生40ns的時間窗截取165MHz的載波,將其頻譜展寬,產(chǎn)生中心頻率為165MHz、帶寬為50MHz的脈沖信號,并送到SAW擴展器,形成一個線性調(diào)頻脈沖。SAW擴展器采用南京54所生產(chǎn)的聲表面波色散延遲線,帶寬為20MHz，經(jīng)過擴展后的脈沖只有20MHz帶寬,擴展器衰減30dB。此信號經(jīng)過中頻放大器AD8353放大后,與750MHz本振進行上變頻到915MHz,經(jīng)射頻帶通濾波器濾除帶外雜波，再經(jīng)MAX2235進行功率前置放大,由天線發(fā)射出去,形成詢問信號。上變頻芯片選用MAX2671，其射頻輸出范圍400MHz~2500MHz。射頻帶通濾波器采用F5CE-D2系列的SAW帶通濾波器,它使用了特殊的DMS雙模SAW技術(shù)，具有很好的帶外衰減和通帶平坦度，廣泛應(yīng)用在移動通信中。
詢問信號發(fā)射完畢后,天線開關(guān)立即打到接收位置,為接收做好準(zhǔn)備。轉(zhuǎn)換開關(guān)采用Mini公司的KSWHA-1-20,它是一種GsAs開關(guān),具有很高的隔離度,開關(guān)轉(zhuǎn)換速度3ns。
接收機:采用了超外差式接收機的設(shè)計方案，如圖3。
回波信號到達(dá)接收機前端時,首先經(jīng)過濾波處理。在接收機中有兩個射頻濾波器：預(yù)選擇濾波器和鏡像抑制濾波器。預(yù)選擇濾波器濾除掉無用信號，以防止射頻前端發(fā)生飽和并產(chǎn)生交調(diào)失真。鏡像抑制濾波器抑制第一鏡頻、半中頻和本振雜散響應(yīng)。射頻濾波器選用FAR-F5CE-915M00-D236。濾波處理后，信號通過射頻放大器MAX2642進行放大,它是低噪聲放大器,在1.3dB的噪聲系數(shù)條件下，提供0dBm的輸入IP3。
經(jīng)過射頻濾波和放大后,信號與本振750MHz進行下變頻。下變頻芯片選用MAX2682,它采用雙平衡混頻器結(jié)構(gòu),輸入頻率400MHz~2500MHz。下變頻后，信號進入中頻SAW濾波器進行中頻濾波,再通過SAW壓縮器，輸出被壓縮的脈沖。被壓縮的信號經(jīng)過AD8353中頻放大，送入正交下變頻,解調(diào)出I、Q兩路信號。RF2721是RF公司為數(shù)字移動接收機設(shè)計的正交解調(diào)器，它從放大和濾波后的中頻信號中恢復(fù)同相及正交的基帶信號。
b.信號后處理單元設(shè)計
信號后處理單元的原理框圖如圖4所示。
從詢問單元送來的經(jīng)過正交下變頻的同相分量I和正交分量Q,經(jīng)低通濾波器濾掉高頻分量,再經(jīng)過8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9058轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,經(jīng)FIFO緩存,送至DSP進行運算。FIFO選用HBA公司的FQV251,DSP選用TI公司的浮點處理器TMS320C33。I、Q信號是接收機送出的解調(diào)信號,它攜帶了識別卡的識別信息,識別碼的格式為32位。時鐘同步時,采用軟判決的相關(guān)處理算法,即根據(jù)兩路信號的平方和是否超過門限判斷當(dāng)前位是0或1。
FPGA負(fù)責(zé)各種控制信號的產(chǎn)生,選用ALTERA公司MAX7000系列的EPM7032,可提供5000個可用門。EPROM選用ST公司的27C256。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)開始工作后，DSP初始化，F(xiàn)PGA配置頻率綜合器ADF4127L,產(chǎn)生精準(zhǔn)的頻率源。詢問機轉(zhuǎn)換開關(guān)指向發(fā)射位置，發(fā)射單元發(fā)射詢問脈沖信號,經(jīng)過一段時間后，開關(guān)指向接收位置,接收單元接收回波信號，先進行A/D采樣，并將I路和Q路的采樣值平方相加，若大于編碼門限,則判定當(dāng)前碼為1，否則為0。一幀32位識別碼判別完后，詢問單元重新發(fā)出詢問信號，如此循環(huán)。解調(diào)出的識別碼通過串口送給外部設(shè)備，以供處理。
系統(tǒng)測試
本系統(tǒng)在高速公路收費站和停車場做了多次測試。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以全天候工作，在10m距離內(nèi)可以準(zhǔn)確地識別出高速運動車輛，加快了車輛通過收費站的速度，在一定程度上緩解了交通緊張狀況，降低了收費站成本。
