中心論題：
- 系統組成及工作原理
- 硬件電路設計
- 系統軟件設計
- 系統測試
解決方案：
- 詢(xún)問(wèn)單元設計和信號后處理單元設計
- 系統軟件設計
車(chē)輛識別系統的研究起始于二十世紀70年代,最早采用光學(xué)與紅外技術(shù), 其環(huán)境適應性較差,且車(chē)輛的最大車(chē)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標簽,無(wú)任何連線(xiàn),具有低能耗﹑抗干擾能力強﹑體積小等優(yōu)點(diǎn),特別適用于強電磁干擾環(huán)境下高速運動(dòng)車(chē)輛的非接觸式測量。
本文設計了一種基于SAW技術(shù)的車(chē)輛自動(dòng)識別系統, 可應用于不停車(chē)車(chē)輛識別,為高速公路車(chē)輛收費系統提供了一種高效的解決方案,車(chē)輛識別距離10m,最高車(chē)速120km/h。識別碼長(cháng)度32位,可識別的車(chē)輛數目為232。該系統可全天候工作于野外環(huán)境中。
系統組成及工作原理
SAW傳感器構成的車(chē)輛識別系統由一個(gè)裝載在高速運動(dòng)車(chē)輛上的SAW傳感器標簽、一個(gè)帶主動(dòng)式天線(xiàn)的詢(xún)問(wèn)單元和一個(gè)信號后處理單元組成。如圖1所示。
SAW標簽由傳感器天線(xiàn)、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(xiàn)接收由遠處詢(xún)問(wèn)機發(fā)送來(lái)的詢(xún)問(wèn)電磁脈沖信號,通過(guò)叉指換能器轉化為聲表面波,遇到反射條后形成回波,回波通過(guò)叉指換能器重新轉化為電磁波并再次通過(guò)天線(xiàn)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目和位置決定的脈沖序列,它類(lèi)似于條形碼圖案,每個(gè)脈沖的時(shí)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(jìn)行估計,實(shí)時(shí)解調出識別碼。
硬件電路設計
a.詢(xún)問(wèn)單元設計
圖2為詢(xún)問(wèn)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:在本系統中共需要三個(gè)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(shí)提供射頻/中頻兩個(gè)頻率, 采用SPI接口控制,通過(guò)FPGA芯片對其內部寄存器進(jìn)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(shí)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(gè)線(xiàn)性調頻脈沖。SAW擴展器采用南京54所生產(chǎn)的聲表面波色散延遲線(xiàn),帶寬為20MHz，經(jīng)過(guò)擴展后的脈沖只有20MHz帶寬,擴展器衰減30dB。此信號經(jīng)過(guò)中頻放大器AD8353放大后,與750MHz本振進(jìn)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(jìn)行功率前置放大,由天線(xiàn)發(fā)射出去,形成詢(xún)問(wèn)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，廣泛應用在移動(dòng)通信中。
詢(xún)問(wèn)信號發(fā)射完畢后,天線(xiàn)開(kāi)關(guān)立即打到接收位置,為接收做好準備。轉換開(kāi)關(guān)采用Mini公司的KSWHA-1-20,它是一種GsAs開(kāi)關(guān),具有很高的隔離度,開(kāi)關(guān)轉換速度3ns。
接收機:采用了超外差式接收機的設計方案，如圖3。
回波信號到達接收機前端時(shí),首先經(jīng)過(guò)濾波處理。在接收機中有兩個(gè)射頻濾波器：預選擇濾波器和鏡像抑制濾波器。預選擇濾波器濾除掉無(wú)用信號，以防止射頻前端發(fā)生飽和并產(chǎn)生交調失真。鏡像抑制濾波器抑制第一鏡頻、半中頻和本振雜散響應。射頻濾波器選用FAR-F5CE-915M00-D236。濾波處理后，信號通過(guò)射頻放大器MAX2642進(jìn)行放大,它是低噪聲放大器,在1.3dB的噪聲系數條件下，提供0dBm的輸入IP3。
經(jīng)過(guò)射頻濾波和放大后,信號與本振750MHz進(jìn)行下變頻。下變頻芯片選用MAX2682,它采用雙平衡混頻器結構,輸入頻率400MHz~2500MHz。下變頻后，信號進(jìn)入中頻SAW濾波器進(jìn)行中頻濾波,再通過(guò)SAW壓縮器，輸出被壓縮的脈沖。被壓縮的信號經(jīng)過(guò)AD8353中頻放大，送入正交下變頻,解調出I、Q兩路信號。RF2721是RF公司為數字移動(dòng)接收機設計的正交解調器，它從放大和濾波后的中頻信號中恢復同相及正交的基帶信號。
b.信號后處理單元設計
信號后處理單元的原理框圖如圖4所示。
從詢(xún)問(wèn)單元送來(lái)的經(jīng)過(guò)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(guò)8位模/數轉換器AD9058轉換為數字量,經(jīng)FIFO緩存,送至DSP進(jìn)行運算。FIFO選用HBA公司的FQV251,DSP選用TI公司的浮點(diǎn)處理器TMS320C33。I、Q信號是接收機送出的解調信號,它攜帶了識別卡的識別信息,識別碼的格式為32位。時(shí)鐘同步時(shí),采用軟判決的相關(guān)處理算法,即根據兩路信號的平方和是否超過(guò)門(mén)限判斷當前位是0或1。
FPGA負責各種控制信號的產(chǎn)生,選用ALTERA公司MAX7000系列的EPM7032,可提供5000個(gè)可用門(mén)。EPROM選用ST公司的27C256。
系統軟件設計
軟件流程如圖5所示。系統開(kāi)始工作后，DSP初始化，FPGA配置頻率綜合器ADF4127L,產(chǎn)生精準的頻率源。詢(xún)問(wèn)機轉換開(kāi)關(guān)指向發(fā)射位置，發(fā)射單元發(fā)射詢(xún)問(wèn)脈沖信號,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，開(kāi)關(guān)指向接收位置,接收單元接收回波信號，先進(jìn)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(mén)限,則判定當前碼為1，否則為0。一幀32位識別碼判別完后，詢(xún)問(wèn)單元重新發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號，如此循環(huán)。解調出的識別碼通過(guò)串口送給外部設備，以供處理。
系統測試
本系統在高速公路收費站和停車(chē)場(chǎng)做了多次測試。測試結果表明，本系統可以全天候工作，在10m距離內可以準確地識別出高速運動(dòng)車(chē)輛，加快了車(chē)輛通過(guò)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。
