目前，車輛測速方法主要有線圈測速、光電式測速、雷達測速、視頻測速等。線圈測速多為埋設式,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。線圈在安裝或維護時必須直接埋入車道，安裝過程中會暫時阻礙交通，且維護時容易使路面受損，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150公里以上時，存在著精度問題。雷達測速是目前檢測車輛超速行駛的主要方式，但大多數雷達測速儀采用的計數鑒頻方法測試精度不高、電路復雜、測量功能單一，限制了其進一步推廣應用。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，此方式建立在準確的響應時間基礎之上，但由于受接收設備的限制，不可能準確獲得觸發時間幀序列，所以會造成測得的速度誤差較大。
    本系統采用DSP進行數字信號處理，利用頻譜分析技術捕捉雷達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。本文所設計的基于DSP的雷達測速監控系統提高了測試精度、增加了視頻監控功能，提高了系統的可靠性和實用性，具有很高的推廣價值。
1設計思想和系統框圖
    根據多普勒效應原理，即移動物體對所接收的電磁波有頻移的效應，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系為[1]:

式中，f_D為多普勒頻率(Hz)；Vt為運動目標的速度(m/s)；c為光速; f0為發射波頻率(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控中心。系統結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計
　 通過圖1系統結構框圖可知,整個系統可以分4部分：雷達信號處理通道、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雷達信號處理通道
    此部分主要由雷達傳感器模塊和雷達信號處理模塊兩部分組成。
2.1.1雷達傳感器
    本系統的測速雷達傳感器采用了多普勒效應的工作原理，以發射頻率為24．15 GHz的微波雷達作為信號的收發裝置。微波雷達具有方向性好、速度等于光速的優點。發射微波遇到車輛立即被反射回來，被接收端混頻后即產生和速度對應的差頻信號,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)，速度越快頻率越高?；夭ú铑l信號隨目標遠近幅度在1 mV~100 mV之間變化，越接近幅度越大。圖2(a)為被測移動目標接近探測傳感器時的波形，圖2(b)為被測移動目標遠離探測傳感器時的波形。

2.1.2 雷達信號處理模塊
 　回波差頻信號隨目標遠近幅度在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行放大至30 mV~3 V之間?；祛l后的多普勒信號經中頻放大后由AD7274以1．25 MHz的頻率對信號進行采樣，因此保證了較高的轉換精度和快速的采樣速率。經A/D轉換后的數字信號送入DSP進行頻譜分析估算多普勒頻率，經DSP運算后轉換成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距離傳輸，因此需將模擬信號轉換成數字信號，通過視頻壓縮算法傳輸至監控中心。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計要求。
　　本系統中SAA7111A 的初始設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的數字視頻信號輸出)，設置默認的圖像亮度、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芯片中分離出狀態信號(行同步信號HREF、奇偶場標志信號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片內的RAM只有32 KB,系統需要較大空間存放視頻數據，因此本系統對存儲空間進行了擴展，擴展了64 KB的雙口RAM數據空間，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）可以同時進行，有利于提高系統處理的速度和精度。并且也擴充了1塊Flash(不易失的重復可讀寫存儲器)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部分設計
    由于本系統接口電路比較復雜，因此在SAA7111A的接口設計中采用CPLD完成。CPLD驅動控制SAA7111A視頻圖像采集，將采集數據存放于雙口RAM中。系統上電初始化時CPLD對SAA7111A進行配置。本系統選用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的設計過程中，采用了Altera公司的可編程邏輯器件和開發軟件Max+Plus Ⅱ。
2.3 串行通信接口
    系統擴展視頻監控接口，輸入視頻信號經模數轉換后通過視頻壓縮算法打包通過串口傳送至監控中心，考慮到監控中心往往遠離測試點，因此串口傳輸視頻數據選用RS-485傳輸方式。本設計選用MAXIM公司生產的MAX3160，它是一種可編程的多協議收發器，能支持RS-232/RS-485/RS-422等傳送方式，其數據傳輸速率在RS-485/RS-422模式下可高達10 Mb/s,傳輸距離能達到1 200 m。系統采用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顯示部分設計
    由于本系統的顯示只是簡單的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(串行數據輸入)及VDD(電源正極)4個接口。本系統把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依次輸出數據，完成液晶顯示。
3 軟件設計
    系統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據傳送給主機。系統主程序流程如圖3所示，系統軟件分為系統上電復位初始化、速度采樣、視頻采集、壓縮編碼和數據傳輸5個主要模塊。系統上電復位后，系統對DSP和CPLD進行初始化，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，設定DMA通道以及設定外部中斷，然后DSP等待CPLD的中斷，DMA讀取數據，并進行編碼。當編碼結束后，DSP把數據交付RS485模塊。通過RS485總線傳送至上位機，同時DSP向CPLD發送空閑信號，通知CPLD繼續發送下一幀。

4 實驗結果與數據分析
4.1 車輛速度采集
    以一高速公路行駛的現代紅色轎車為例，根據測試的需要，設置超速上限為100 km/h，將采樣的數據存于DSP 2 048個RAM單元中，提取RAM單元數據經MATLAB處理后輸出波形如圖4所示。

    根據式(1)知，如果需要算出車輛的行駛速度，需測得測速雷達回波差頻信號的頻率。目前，測試頻率的方法有經典譜估計方法和現代譜估計方法。經典譜估計方法總體來說方差性能較差，分辨率較低，不能適應高分辨率譜估計的需要?，F代譜估計從方法上大致分為參數模型估計和非參數模型估計，前者有AR模型、MA模型、ARMA模型、PRONY指數模型等,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模型易于反應信號的譜峰，本系統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模型比較符合系統的實際需要。AR模型的參數可以求解下面的方程得到。

    多普勒雷達接收到的回波差頻信號經過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)對應的頻率值為6.25 kHz。根據式(1)此時車輛速度達到118.78 km/h。計算得到誤差(6.3-6.25)/6.3×100％≈0．79％?？梢钥闯?經過TMS320VC5502的運算估算出的多普勒頻率誤差在1％之內。
4.2 視頻圖像實驗結果
    本系統實現了靜止圖像的實時壓縮和高速傳輸。采用標準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壓縮編碼主要由預處理、DCT變換、量化、Huffman編碼等流程構成。JPEG壓縮編碼時，需先將原始YcbCr空間的二維圖像分成8×8的數據塊，然后將各數據塊按從左到右，從上到下的順序分別進行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]，此處不作詳細描述。視頻圖像數據存儲于雙口RAM中，提取圖像數據MATLAB顯示結果如圖6所示。

    視頻圖像經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的雷達測速監控系統的設計和實現方案，該系統硬件設計采用DSP+CPLD的方案,充分發揮了各自優勢,經過驗證達到較好的實時效果。由于應用了DSP分析多普勒頻譜，頻率估計更加準確可靠，測速誤差在1％之內。該系統體積小、質量輕、操作方便，能夠滿足目前國內對速度檢測的要求，為交通管理部門對機動車速度的監控提供了重要手段。

參考文獻
[1] 李之果，張宇波，任軍霞. 基于DSP的交通雷達測速儀設計[J].電子技術應用,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芯片的原理與開發應用(第二版)[M].北京：電子工業出版社,2000:269-293.
[4] 李世軍,黃鋒,屈喜龍，等.基于DSP的數字圖像采集、壓縮系統的設計與實現[J].電子技術應用,2009,35(7):49-51.