摘要:根据车用毫米波雷达传感器组网络技术,设计了一个基于DSP2812的路面识别控制系统。采用自适应PID模糊控制算法,改善控制效果。采用JTAG接口和仿真器XDS510实现DSP与上位机通信。实验表明了系统设计的合理稳定。
关键字:毫米波雷达;DSP2812;自适应PID模糊控制算法;JTAG接口
引言:随着汽车工业的飞速发展,交通事故也随之频频出现,为了解决人身安全问题,人们设计了很多电子系统:防碰撞系统,安全气囊等。近年来路面识别系统得到人们的注意,路面识别可以有效的避免交通事故的发生。我所设计是一种由车用毫米波雷达传感器组获得路面信息,经DSP处理后来控制节气门的开度,进而降低车速协助驾驶员制动,避免车祸的发生。
1.系统设计原理
由于DSP芯片高性能,处理速度,低廉等优点,得到人们的广泛应用.系统采用DSP2812进行设计,利用该芯片的CAN高速总线模块对数据进行发送接受.系统通过毫米波雷达传感器组提供的信号,再根据此刻的车速信号,来控制节气门开度,系统控制框图如图1所示:
图1 系统控制框图
Fig 1System control diagram
图2 DSP2812电路图Fig 2DSP2812 diagram
2.系统硬件设计
2.1 DSP2812中央处理器
系统选用TMS320C28x控制器,该控制器是业界第一款32位基于DSP的控制器,具有板载快闪存储器和高达150MIPS的性能。并且整合了JTAG接口、128K*16位的FLASH存储器、快速的16通道12位A/D转换器、时间管理器(EVA、EVB)、正交编码电路接口、SPI、两个SCI即标准的UART、增强的区域控制器CAN模块及多通道缓冲串口(MBbsp)等外设。除此之外,系统还有3个外部时钟,外设中断允许(PIE)模块支持96个外部中断,以及3个32位的CPU定时器[1]。以上强大的功能足以实现对雷达信号的快速处理和直流电机的控制。使系统能够满足车载的要求,图2是本系统中所用到的引脚。
雷达和车速信号由车载CAN总线上获取,此时节气门开度模拟电压信号经片内A/D转换后作为反馈单元,CAN上获取信号和反馈信号经过自适应PID模糊控制算法,来调节EVA所产生PWM的占空比,达到控制效果。
2.2 近距离车用毫米波雷达传感器原理
四个近距离毫米波雷达传感器(NDS)等距离安装在安全杆上,每个雷达传感器都采用调频连续波(FWCM)体制。利用每个FWMC雷达发射和回波信号之间的频率差来确定目标的距离和速度[2]。射频收发前端原理图如图3所示;根据采集的信号实现信息分析,利用数据之间的冗余性和互补特性进行容错处理。该传感器网络可在35米的范围内实现水平方位120o 覆盖,采用技术比较成熟的77GHZ的雷达传感器[3]。其优点探测精度高、硬件体积小和不受恶劣天气影响等。
图3 射频收发前端原理图
Fig 3RF transceiver schematic diagram
例如在车辆采用巡航系统保持一定速度行驶时,雷达传感器组测得前方有障碍物(步行者),此时就根据雷达给出步行者距离和速度,以及车速来相应调整节气门的开度。如果测得的障碍物相对速度接近0,距离基本保持不变,则车速仍可保持。这样就避免了交通事故的发生和不定降速的现象。
2.3 增强型CAN总线
车载总线采用分布式控制,CAN总线是其中的一种,由于其独特的设计思想和高可靠性在不同总线标准的竞争中获得广泛的认可,并逐渐成为汽车最基本的控制网络。它是一种串行通信协议,具有较高的通信速率和较强的抗干扰能力,可以作为现场应用电磁噪声比较大的场合。设计CAN总线的接口是重要的环节,要采用DSP2812处理器实现CAN总线节点,需要在总线与处理器之间增加变换器电路,以便能够实现兼容的电平转换。如图4所示,内部集成了CAN控制器的DSP2812和收发器SN65HVD232连接。
图4 CAN总线接口图
Fig 4CAN bus interface diagram
TMS320F2812DSP上的CAN总线接口模块是增强型的CAN接口,它有32个可配置的接受/接受邮箱,支持消息的定时邮箱功能.最高通信速率可以达到1Mbps,并且能构建高可靠的CAN总线控制或检测网络。
2.4 JTAG接口和仿真器XDS510
JTAG接口是目标板级的调试接口,在设计中遵循TI原厂JTAG仿真器(XDS510)的规定,采用2.54mm间距的14脚双排插针座。
JTAG接口与仿真器用于系统和上位机通信,目的是调试和故障处理,见图2所示JTAG接口电路。
2.5 执行结构
控制节气门的执行电机采用直流电机,控制器发出PWM信号,通过控制PWM的占空比确定电机两端的电压。直流电机再经过两级减速齿轮,来控制节气门的开度。在电路设计方面要注意的是,DSP2812是双供电芯片(内核1.8V,I/O都是3.3V),而节气门执行电机的工作电压为12V。为了避免干扰,采用通用的光耦隔离。在驱动方面,DSP驱动能力较小,即利用场效应管放大。
3系统软件设计
路面识别系统的软件设计包括主程序、系统初始化(DSP内核寄存器、外设中断扩展单元、外设中断扩展向量表)、系统设置(GPIO口选择、CAN总线控制器、产生PWM的时间管理器EV)、A/D采集、外设PIE中断(CAN、PWM)、声光报警。主程序实现框图,如图4所示。
图5 主程序流程简图
Fig 5The main program flow diagram
软件设计主要是外设PIE中断(CAN、PWM),各个中断的作用如下。
(1)CAN总线中断程序
该中断完成中央处理器获取信息的任务,每隔一定的时间发出中断信号,然后系统在CAN总线上获取控制节气门的数据,经过计算处理得到所需的电压信号。
(2)EV/PWM中断程序
DSP2812处理器包含2个事件管理器(EVA/EVB),本系统采用EVA中的GP定时器1比较单元来输出PWM波形来控制执行电机。控制策略采用自适应PID模糊控制算法,达到最佳的控制效果。
第一步构建模糊控制器:首先模糊隶属函数,该控制器采用三角形模糊分布[4],其算式(1)
(1)
其次,建立模糊规则,根据segeno和kang提出的模糊规则[4]。其表达式(2)