目前,，車輛測速方法主要有線圈測速、光電式測速,、雷達(dá)測速,、視頻測速等。線圈測速多為埋設(shè)式,車輛通過線圈時,，會引起線圈磁場變化,，檢測器依此計算出車輛速度,。線圈在安裝或維護(hù)時必須直接埋入車道，安裝過程中會暫時阻礙交通,，且維護(hù)時容易使路面受損,，線圈也易受到冰凍、路基下沉等因素的影響,，當(dāng)車流擁堵時,，檢測精度會大大降低。光電式測速在低速測量時精度較高,，但時速達(dá)150公里以上時,，存在著精度問題。雷達(dá)測速是目前檢測車輛超速行駛的主要方式,，但大多數(shù)雷達(dá)測速儀采用的計數(shù)鑒頻方法測試精度不高,、電路復(fù)雜、測量功能單一,，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用,。視頻檢測的測速方法將攝像機安裝在車道上方，拍攝車輛運動圖像序列,，運用圖像處理與模式識別方法對接收到的圖像序列進(jìn)行分析,獲取圖像中車輛在兩幀間的位移,，從而得到車輛的行駛速度，此方式建立在準(zhǔn)確的響應(yīng)時間基礎(chǔ)之上,，但由于受接收設(shè)備的限制,，不可能準(zhǔn)確獲得觸發(fā)時間幀序列，所以會造成測得的速度誤差較大,。
    本系統(tǒng)采用DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理,，利用頻譜分析技術(shù)捕捉雷達(dá)回波信號的多普勒頻移來計算汽車的速度,可大大提高測速精度。本文所設(shè)計的基于DSP的雷達(dá)測速監(jiān)控系統(tǒng)提高了測試精度,、增加了視頻監(jiān)控功能,，提高了系統(tǒng)的可靠性和實用性，具有很高的推廣價值,。
1設(shè)計思想和系統(tǒng)框圖
    根據(jù)多普勒效應(yīng)原理,，即移動物體對所接收的電磁波有頻移的效應(yīng)，由接收到的反射波頻移量計算得出被測物體的運動速度,。物體運動速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為[1]:

式中,，f_D為多普勒頻率(Hz)；Vt為運動目標(biāo)的速度(m/s),；c為光速; f0為發(fā)射波頻率(Hz),。從式(1)可以看到其他變量都是已知的，只要測出fD就可以計算出被測車輛的速度,。系統(tǒng)一旦檢測到超速車輛,，攝像頭便開始捕捉超速車輛信息,，并通過RS-485接口將超速車輛信息傳送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　 通過圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可知,整個系統(tǒng)可以分4部分：雷達(dá)信號處理通道,、視頻采集通道,、串行通信接口及外圍輔助接口鍵盤/顯示器等,。
2.1雷達(dá)信號處理通道
    此部分主要由雷達(dá)傳感器模塊和雷達(dá)信號處理模塊兩部分組成。
2.1.1雷達(dá)傳感器
    本系統(tǒng)的測速雷達(dá)傳感器采用了多普勒效應(yīng)的工作原理,，以發(fā)射頻率為24．15 GHz的微波雷達(dá)作為信號的收發(fā)裝置,。微波雷達(dá)具有方向性好、速度等于光速的優(yōu)點,。發(fā)射微波遇到車輛立即被反射回來,，被接收端混頻后即產(chǎn)生和速度對應(yīng)的差頻信號,即差拍中頻信號，該信號頻率范圍為10~100 000 Hz(和被測物移動速度有關(guān)),，速度越快頻率越高,。回波差頻信號隨目標(biāo)遠(yuǎn)近幅度在1 mV~100 mV之間變化,，越接近幅度越大,。圖2(a)為被測移動目標(biāo)接近探測傳感器時的波形，圖2(b)為被測移動目標(biāo)遠(yuǎn)離探測傳感器時的波形,。

2.1.2 雷達(dá)信號處理模塊
 　回波差頻信號隨目標(biāo)遠(yuǎn)近幅度在1 mV~100 mV之間變化,，回波信號較微弱，容易受外部信號干擾,，需對回波中頻信號進(jìn)行放大至30 mV~3 V之間,。混頻后的多普勒信號經(jīng)中頻放大后由AD7274以1．25 MHz的頻率對信號進(jìn)行采樣,，因此保證了較高的轉(zhuǎn)換精度和快速的采樣速率,。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入DSP進(jìn)行頻譜分析估算多普勒頻率，經(jīng)DSP運算后轉(zhuǎn)換成km/h,。
2.2 視頻采集通道
 　 此部分主要由SAA7111A視頻采集模塊,、擴展存儲模塊和CPLD模塊組成。
2.2.1 SAA7111A視頻采集模塊
　　系統(tǒng)為方便獲取超速車輛信息,，擴展了外部攝像頭接口,，目前多數(shù)攝像頭都支持PAL/NTSC制式輸出。PAL/NTSC模擬視頻信號中不僅包含圖像信號,，還包含行同步,、行消隱、場同步,、場消隱等信號,。模擬視頻信號不方便遠(yuǎn)距離傳輸,，因此需將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過視頻壓縮算法傳輸至監(jiān)控中心,。SAA7111A集A/D與解碼功能于一身,，既支持PAL電視制式，又支持NTSC電視制式,，能夠很好地滿足本文的設(shè)計要求,。
　　本系統(tǒng)中SAA7111A 的初始設(shè)定為一路模擬視頻信號輸人，自動增益控制,，625行50 Hz PAL制式,，采用720×576的分辨率和4:2:2YUV格式(16 bit的數(shù)字視頻信號輸出)，設(shè)置默認(rèn)的圖像亮度,、對比度及飽和度,。由于本課題的圖像是黑白圖像，所以只需取8 bit的亮度信號即可從SAA7111A芯片中分離出狀態(tài)信號(行同步信號HREF,、奇偶場標(biāo)志信號RTSO,、像素同步時鐘LLC,LLC的二分頻LLC2等信號)。
2.2.2 擴展存儲模塊
    由于TMS320VC5502片內(nèi)的RAM只有32 KB,系統(tǒng)需要較大空間存放視頻數(shù)據(jù),，因此本系統(tǒng)對存儲空間進(jìn)行了擴展,，擴展了64 KB的雙口RAM數(shù)據(jù)空間，雙口RAM主要用于存儲圖像,，由于雙口RAM有2個獨立的訪問接口,，對圖像的寫入（CPLD）和對圖像的讀出（DSP）可以同時進(jìn)行，有利于提高系統(tǒng)處理的速度和精度,。并且也擴充了1塊Flash(不易失的重復(fù)可讀寫存儲器)存儲器,。主要為了DSP上電以后完成初始化加載程序(Boot Loader)，把固化在Flash 中的程序讀人DSP的片上RAM或者片外RAM映射的存儲空間,。
2.2.3 CPLD部分設(shè)計
    由于本系統(tǒng)接口電路比較復(fù)雜,，因此在SAA7111A的接口設(shè)計中采用CPLD完成。CPLD驅(qū)動控制SAA7111A視頻圖像采集,，將采集數(shù)據(jù)存放于雙口RAM中,。系統(tǒng)上電初始化時CPLD對SAA7111A進(jìn)行配置。本系統(tǒng)選用Altera公司的EPM7128SLC84芯片,，該芯片有門單元2 500個,，邏輯宏單元128個，I/O引腳84個,。在CPLD的設(shè)計過程中,，采用了Altera公司的可編程邏輯器件和開發(fā)軟件Max+Plus Ⅱ。
2.3 串行通信接口
    系統(tǒng)擴展視頻監(jiān)控接口,，輸入視頻信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過視頻壓縮算法打包通過串口傳送至監(jiān)控中心,，考慮到監(jiān)控中心往往遠(yuǎn)離測試點,，因此串口傳輸視頻數(shù)據(jù)選用RS-485傳輸方式。本設(shè)計選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3160,，它是一種可編程的多協(xié)議收發(fā)器,，能支持RS-232/RS-485/RS-422等傳送方式，其數(shù)據(jù)傳輸速率在RS-485/RS-422模式下可高達(dá)10 Mb/s,傳輸距離能達(dá)到1 200 m,。系統(tǒng)采用MAX3160的RS-485傳輸方式,，MAX3160的8和16引腳分別和TMS320VC5502的SP3(DSP第34引腳)、SP1(DSP第37引腳)相連[2],。
2.4 LCD顯示部分設(shè)計
    由于本系統(tǒng)的顯示只是簡單的4位車輛行駛速度,，因此選用了1塊二線式串行接口的液晶SMS0401,。SMS0401有VSS(電源地),、CLK (串口移位脈沖輸入)、DI(串行數(shù)據(jù)輸入)及VDD(電源正極)4個接口,。本系統(tǒng)把TMS320VC5502的McBSP0定義成一般通用I/O 口,，讓McBSP0的DX0連接液晶的DI口，McBSP0的CLKX0連接液晶的CLK,，電源VDD和VSS分別接系統(tǒng)的3．3 V電源和地,。然后用McBSP0的CLKX0模仿CLK信號，再從McBSP0的DX0依次輸出數(shù)據(jù),，完成液晶顯示,。
3 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件的主要功能是實時采樣車輛的行駛速度，對超速車輛采集其視頻信號并把圖像數(shù)據(jù)傳送給主機,。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示,，系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)上電復(fù)位初始化、速度采樣,、視頻采集,、壓縮編碼和數(shù)據(jù)傳輸5個主要模塊。系統(tǒng)上電復(fù)位后,，系統(tǒng)對DSP和CPLD進(jìn)行初始化,，初始化主要包括：CPLD通過I²C總線初始化SAA7111、工作模式設(shè)置,；DSP空間分配,，EMIF的配置以保證外部存儲器的正常訪問；配置RS485串口模塊,，設(shè)定DMA通道以及設(shè)定外部中斷,，然后DSP等待CPLD的中斷，DMA讀取數(shù)據(jù),，并進(jìn)行編碼,。當(dāng)編碼結(jié)束后,，DSP把數(shù)據(jù)交付RS485模塊。通過RS485總線傳送至上位機,，同時DSP向CPLD發(fā)送空閑信號,，通知CPLD繼續(xù)發(fā)送下一幀。

4 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析
4.1 車輛速度采集
    以一高速公路行駛的現(xiàn)代紅色轎車為例,，根據(jù)測試的需要,，設(shè)置超速上限為100 km/h，將采樣的數(shù)據(jù)存于DSP 2 048個RAM單元中,，提取RAM單元數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB處理后輸出波形如圖4所示,。

    根據(jù)式(1)知，如果需要算出車輛的行駛速度,，需測得測速雷達(dá)回波差頻信號的頻率,。目前，測試頻率的方法有經(jīng)典譜估計方法和現(xiàn)代譜估計方法,。經(jīng)典譜估計方法總體來說方差性能較差,，分辨率較低，不能適應(yīng)高分辨率譜估計的需要?，F(xiàn)代譜估計從方法上大致分為參數(shù)模型估計和非參數(shù)模型估計,，前者有AR模型、MA模型,、ARMA模型,、PRONY指數(shù)模型等,后者有最小方差方法,多分量的MUSIC方法等。其中,，AR模型的正則方程是一組線性方程,而MA,、ARMA模型是非線性方程。而且AR模型易于反應(yīng)信號的譜峰,，本系統(tǒng)中的問題就是提取最大功率處的頻率,，重點在于譜峰分析,所以AR模型比較符合系統(tǒng)的實際需要。AR模型的參數(shù)可以求解下面的方程得到,。

    多普勒雷達(dá)接收到的回波差頻信號經(jīng)過A/D變換后輸入TMS320VC5502計算得到的功率譜波形如圖5所示,。

    雷達(dá)信號輸入頻譜分析儀顯示的最大頻率為6.3 kHz，由圖5估計出的波形經(jīng)過譜峰搜索可以得到,，估計后的頻譜最大值(多普勒頻率)對應(yīng)的頻率值為6.25 kHz,。根據(jù)式(1)此時車輛速度達(dá)到118.78 km/h。計算得到誤差(6.3-6.25)/6.3×100％≈0．79％,?？梢钥闯?經(jīng)過TMS320VC5502的運算估算出的多普勒頻率誤差在1％之內(nèi)。
4.2 視頻圖像實驗結(jié)果
    本系統(tǒng)實現(xiàn)了靜止圖像的實時壓縮和高速傳輸。采用標(biāo)準(zhǔn)JPEG壓縮算法,，每秒鐘可壓縮并傳輸5幀512×512×8的灰度圖像,，性價比極高。JPEG壓縮編碼主要由預(yù)處理,、DCT變換,、量化、Huffman編碼等流程構(gòu)成,。JPEG壓縮編碼時,，需先將原始YcbCr空間的二維圖像分成8×8的數(shù)據(jù)塊，然后將各數(shù)據(jù)塊按從左到右,，從上到下的順序分別進(jìn)行DCT變換,、量化、“之”字型(Zig—Zag)掃描和Huffman編碼(量化和Huffman編碼分別需要量化表和Huffman表的支持)[3],，此處不作詳細(xì)描述,。視頻圖像數(shù)據(jù)存儲于雙口RAM中，提取圖像數(shù)據(jù)MATLAB顯示結(jié)果如圖6所示,。

    視頻圖像經(jīng)JPEG壓縮后,，通過RS485通信接口上傳至計算機,，計算機終端通過解壓縮算法把圖像還原出來,，解壓縮后效果圖如圖7所示。
    介紹基于TMS320VC5502 DSP的雷達(dá)測速監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方案,，該系統(tǒng)硬件設(shè)計采用DSP+CPLD的方案,充分發(fā)揮了各自優(yōu)勢,經(jīng)過驗證達(dá)到較好的實時效果,。由于應(yīng)用了DSP分析多普勒頻譜，頻率估計更加準(zhǔn)確可靠,，測速誤差在1％之內(nèi),。該系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕,、操作方便,，能夠滿足目前國內(nèi)對速度檢測的要求，為交通管理部門對機動車速度的監(jiān)控提供了重要手段,。

參考文獻(xiàn)
[1] 李之果,，張宇波，任軍霞. 基于DSP的交通雷達(dá)測速儀設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2009,35(4):141-142.
[2] Texas Instruments Incorporated.TMS320VC5502 Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual[Z].2004.
[3] 張偉雄,曹鐵勇.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用(第二版)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2000:269-293.
[4] 李世軍,黃鋒,屈喜龍,，等.基于DSP的數(shù)字圖像采集,、壓縮系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2009,35(7):49-51.