摘要：汽車盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，其主要目的是檢測(cè)車輛兩側(cè)及后方的盲區(qū)，幫助駕駛員規(guī)避潛在的危險(xiǎn)。本文針對(duì)這一需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文介紹了系統(tǒng)的實(shí)際需求、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合MATLAB 工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性和可靠性，本文的研究成果為提升汽車盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的性能提供了參考，具有較高的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽車盲點(diǎn)檢測(cè)；毫米波雷達(dá)；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TN952 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

汽車行業(yè)正積極探索通過高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)[1]（ADAS）、自動(dòng)駕駛技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等前沿科技的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測(cè)與干預(yù)，從而有效降低交通事故風(fēng)險(xiǎn)。

毫米波雷達(dá)廣泛運(yùn)用于汽車駕駛輔助系統(tǒng)，它使用毫米量級(jí)的波長(zhǎng)作為雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)，具有系統(tǒng)組件尺寸小、抗干擾能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。汽車盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)[2]（Blind SpotDetection， BSD）是一種先進(jìn)的駕駛輔助技術(shù)，通過毫米波雷達(dá)檢測(cè)汽車盲區(qū)內(nèi)的行人或車輛，通過告警的形式提示駕駛員注意，以此來減少交通事故的發(fā)生。

FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）技術(shù)則通過發(fā)射頻率隨時(shí)間線性變化的連續(xù)調(diào)頻波信號(hào)[3]，并接收回波信號(hào)，通過計(jì)算頻率差來精確測(cè)量目標(biāo)物體的距離和速度，具有高精度和高可靠性的特性，F(xiàn)MCW 雷達(dá)的調(diào)制方式一般分為快速斜波模式（鋸齒波）和慢速斜波模式[4]（三角波），兩種模式選擇基于硬件資源而定。

本文以毫米波作為傳感器，32 位單片機(jī)作為控制處理器，采用快速斜波模式的FMCW 技術(shù)，探索一種運(yùn)用于汽車盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)中毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集成本高、體積大及實(shí)時(shí)性差等問題。

1 汽車毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

汽車毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用場(chǎng)合是汽車盲點(diǎn)檢測(cè)雷達(dá)，需要準(zhǔn)確測(cè)量盲區(qū)內(nèi)行人或車輛的距離、速度、方向等信息，根據(jù)是否存在威脅情況來提前預(yù)警，本文毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無目標(biāo)提取算法、航跡處理算法，只針對(duì)毫米波雷達(dá)的原始數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換，如ADC 數(shù)據(jù)、距離維FFT、速度維FFT 等數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)上傳PC 端顯示。系統(tǒng)需符合以下要求：雷達(dá)原理為FMCW 技術(shù)；工作頻率24.00 ～ 24.25 GHz ；帶寬250.00 MHz ；持續(xù)掃頻時(shí)間為153.6 μs ；調(diào)制方式為快速斜波模式（鋸齒波）；采樣頻率為833.30 kHz ；FFT 變換點(diǎn)數(shù)為128。

1.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用TC264DA 單片機(jī)作為控制核心，射頻芯片采用一發(fā)兩收機(jī)制的BGT24ATR12 收發(fā)器，射頻收發(fā)器連接DAC 轉(zhuǎn)換模塊和中頻放大電路模塊，單片機(jī)外圍模塊有網(wǎng)絡(luò)接口模塊用于上傳數(shù)據(jù)，CAN 模塊用于提取汽車速度，其硬件原理架構(gòu)如圖1 所示。TC264DA 通過QSP1 協(xié)議控制DAC模塊產(chǎn)生模擬信號(hào)，此模擬信號(hào)控制射頻芯片VCO 的調(diào)制波形讓射頻收發(fā)器輸出快速斜波模式的連續(xù)調(diào)頻波，Q2 將調(diào)制頻率信息反饋給單片機(jī)，此次修正模擬信號(hào)大小，形成閉環(huán)控制。

1.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示，系統(tǒng)程序首先控制射頻芯片，系統(tǒng)將掃頻信號(hào)以編碼形式通過QSPI1 傳給DAC 模塊，DAC 模塊輸出模擬信號(hào)控制芯片VCO 的調(diào)制波形，直到天線發(fā)射信號(hào)，同時(shí)射頻芯片BGT24ATR12 的Q2 引腳輸出調(diào)制頻率信號(hào)，單片機(jī)的通用定時(shí)器模塊（GTM） 對(duì)Q2 引腳進(jìn)行捕獲測(cè)量，以此來校正掃頻信號(hào)。在BGT24ATR12 輸出中頻信號(hào)給單片機(jī)時(shí)，內(nèi)部4 個(gè)ADC 模塊采用ADC0 作為主機(jī)，ADC1、2、3 作為從同步，CCU60 T13 用于生成PWM 波，PWM 波下降沿開啟觸發(fā)ADC0 模塊轉(zhuǎn)換，4 個(gè)ADC 模塊并行轉(zhuǎn)換，同時(shí)開啟CCU60 中斷服務(wù)功能，用于監(jiān)測(cè)DMA 搬運(yùn)次數(shù)，當(dāng)次數(shù)達(dá)128 次，關(guān)閉CCU60 T13，程序進(jìn)入FFT 變換環(huán)節(jié)，通過DMA 傳輸?shù)紽FT 加速器中生成Range 維FFT，Range Buffer 將數(shù)據(jù)通過DMA 傳到FFT 加速器中生成Dopper 維FFT，最后將Buffer 數(shù)據(jù)通過UDP協(xié)議上傳到PC 顯示，PC 端可以直觀觀察數(shù)據(jù)變換情況，用于修正參數(shù)和調(diào)整后期算法。

2 汽車毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 TC264DA 控制器選型及介紹

TC264DA 單片機(jī)適用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），是英飛凌公司對(duì)于汽車?yán)走_(dá)和攝像頭而開發(fā)的多核32 位CPU。本文選用TC264DA 單片機(jī)作為控制核心，其具有以下特點(diǎn)：雙TriCore/DSP，具有主頻200 MHz 和DSP 功能；高達(dá)2.5 MB 的閃存，具有ECC 保護(hù)，96 kB EEProm， 高達(dá)752 kB RAM， 具有ECC 保護(hù)；4 個(gè)12 位SAR ADC 轉(zhuǎn)換器，5 個(gè)CAN FD nodes，4 個(gè)SPI，4 個(gè)LIN，48 個(gè)DMA 通道；100 Mbit 以太網(wǎng)；工作電壓采用單電壓電源5.0 V 或者3.3 V ；所有核心均支持浮動(dòng)點(diǎn)和固定點(diǎn)[5-6]。

TC264DA 單片機(jī)200 MHz 主頻滿足高速處理需求，其內(nèi)部自帶4 個(gè)ADC 模塊，中頻放大電路輸出直接接入對(duì)應(yīng)ADC 模塊通道中，無需外接ADC 模塊。

2.2 BGT24ATR12 射頻芯片選型及介紹

BGT24ATR12 是一款由英飛凌（Infineon）公司生產(chǎn)的微波集成電路（MMIC），主要用于24.00 GHz 的ISM 頻段的信號(hào)生成和接收，從24.00 ～ 24.25 GHz，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中，特別是在汽車傳感、手勢(shì)識(shí)別、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

BGT24ATR12 收發(fā)器具備完全集成 VCO 的低相位噪聲，具有 1.50 GHz 和 23.00 kHz 輸出功率的開關(guān)預(yù)分頻器，輸出片上功率和溫度傳感器用于自檢，單端 RF 輸入終端，采用690 mW 的低功率損耗設(shè)計(jì)等特征，它可實(shí)現(xiàn)快速斜波模式的FMCW 技術(shù)，符合系統(tǒng)功能要求。

通過QSPI（串行外設(shè)接口）進(jìn)行控制，方便集成與調(diào)試，BGT24ATR12 芯片通過ANA 引腳對(duì)芯片溫度、發(fā)射功率傳感器和本振功率傳感器的電壓峰值進(jìn)行檢測(cè)，輸出電壓信號(hào)用于對(duì)射頻芯片指標(biāo)的反饋。

2.3 CAN 總線通信電路設(shè)計(jì)

TC264DA 單片機(jī)MultiCAN+ 模塊包含全 CAN 功能的CAN節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可獨(dú)立工作，并能通過網(wǎng)關(guān)功能交換數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程幀[7]。汽車上提供高速CAN 接口，符合ISO11898-2 標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)CAN總線的物理層進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)范，本系統(tǒng)選用TJA1051 收發(fā)器提取汽車速度信息，是一款高速CAN 收發(fā)器，具有優(yōu)越的電磁兼容性（EMC） 和靜電放電（ESD） 性能，CAN 接口電路如圖3 所示。

3 汽車毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境及工具介紹

TC264DA 單片機(jī)開發(fā)環(huán)境選用HighTec，HighTec 為汽車和工業(yè)領(lǐng)域安全要求高的應(yīng)用提供優(yōu)化的汽車級(jí)開源 C/C++ 編譯器套件[8]，HighTec 的IDE 集成了編譯器、調(diào)試器、仿真器等多種工具，為TriCore 架構(gòu)的開發(fā)提供了完整的開發(fā)環(huán)境。在IDE 中，開發(fā)人員可以方便地進(jìn)行代碼編寫、編譯、調(diào)試和仿真等操作。

3.2 ADC 模塊采集與處理

TC264DA 單片機(jī)內(nèi)部ADC 模塊對(duì)中頻放大電路的四路信號(hào)進(jìn)行并行等距采樣傳輸，天線1、2 接收數(shù)據(jù)分實(shí)部（I 分量）和虛部（Q 分量），首先對(duì)VADC 和CCU60 T13 初始化，用于配置VADC 采樣頻率。CCU60 配置比較模式輸出PWM 波，其下降沿觸發(fā)VADC0 開始轉(zhuǎn)換并起開其他3 個(gè)VADC 模塊并行轉(zhuǎn)換，VADC 轉(zhuǎn)換的值放入對(duì)應(yīng)的結(jié)果寄存器中，通過DMA 傳輸將結(jié)果寄存器中的數(shù)據(jù)搬運(yùn)到VADC 緩存區(qū)。CCU60 T13 定時(shí)中斷檢測(cè)DMA 搬運(yùn)次數(shù)，達(dá)128 次時(shí)，關(guān)閉CCU60 T13 服務(wù)請(qǐng)求，開啟FFT 變換，VADC 緩存區(qū)的數(shù)據(jù)通過DMA 自動(dòng)傳入到FFT 加速器中，VADC 采集流程如圖4 所示。

3.3 MultiCAN+ 模塊數(shù)據(jù)讀取

TC264DA 單片機(jī)內(nèi)部有5 個(gè)獨(dú)立的CAN 節(jié)點(diǎn)共用256 個(gè)報(bào)文對(duì)象，并提供16 個(gè)報(bào)文對(duì)象列表。首先對(duì)CAN 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行引腳配置和波特率配置，然后配置報(bào)文對(duì)象的收發(fā)模式，接收?qǐng)?bào)文對(duì)象通過配置ID 位和AM 位來濾除汽車CAN 總線上多余的報(bào)文信息，只讓關(guān)心的ID 位進(jìn)入接收?qǐng)?bào)文對(duì)象中，最后程序開啟CAN接收和發(fā)送掃描任務(wù)，對(duì)接收到CAN ID 信息進(jìn)行讀取解析。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試借助matlab 軟件，通過軟件實(shí)時(shí)抓取ADC 原始數(shù)據(jù)，然后用繪圖函數(shù)進(jìn)行繪制，ADC 采集數(shù)據(jù)如圖5 所示，圖中ADC 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)天線2 的接收數(shù)據(jù)，天線2 接收數(shù)據(jù)分實(shí)部（I 分量）和虛部（Q 分量），通過幅值可以觀察出ADC 數(shù)據(jù)存在直流分量。

測(cè)試目標(biāo)距離系統(tǒng)位置為6 m，TC264DA 單片機(jī)的FFT 加速器將通道2 采集的ADC 數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次FFT 變換。通過測(cè)試圖可知，目標(biāo)在6 m 位置在二維FFT 三維視圖中對(duì)應(yīng)的X 軸的頻點(diǎn)數(shù)為8，Y 軸頻點(diǎn)數(shù)為1，代表速度為0，Z 軸為信號(hào)幅值，反映目標(biāo)的大小，二維FFT 數(shù)據(jù)如圖6 所示。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)汽車盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)提出一種汽車毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 該系統(tǒng)主要通過TC264DA 單片機(jī)對(duì)射頻芯片BGT24ATR12 進(jìn)行發(fā)射控制，射頻芯片輸出中頻信號(hào)經(jīng)過放大電路處理傳入單片機(jī)內(nèi)部ADC 采集和FFT 變換，處理后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳PC 端解析顯示。為了更好適應(yīng)汽車盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，單片機(jī)預(yù)留了CAN 接口，方便讀取汽車數(shù)據(jù)。

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確上傳PC 端，通過matlab 對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，雷達(dá)數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映目標(biāo)信息，并且具備操作簡(jiǎn)單、成本低具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：

張小衛(wèi)，碩士，講師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)。

劉熠榮，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐囕v/ 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維修。