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：
- 詢問單元設計和信號后處理單元設計
- 系統軟件設計
車輛識別系統的研究起始于二十世紀70年代,最早采用光學與紅外技術, 其環境適應性較差,且車輛的最大車速限制為70km/h,已逐漸被淘汰。
SAW技術是一種新興的識別技術。它采用編碼的SAW傳感器作為ID標簽,無任何連線,具有低能耗﹑抗干擾能力強﹑體積小等優點,特別適用于強電磁干擾環境下高速運動車輛的非接觸式測量。
本文設計了一種基于SAW技術的車輛自動識別系統, 可應用于不停車車輛識別,為高速公路車輛收費系統提供了一種高效的解決方案,車輛識別距離10m,最高車速120km/h。識別碼長度32位,可識別的車輛數目為232。該系統可全天候工作于野外環境中。
系統組成及工作原理
SAW傳感器構成的車輛識別系統由一個裝載在高速運動車輛上的SAW傳感器標簽、一個帶主動式天線的詢問單元和一個信號后處理單元組成。如圖1所示。
SAW標簽由傳感器天線、壓電基片、叉指換能器和經傳感器體外編碼的反射極組成。
傳感器天線接收由遠處詢問機發送來的詢問電磁脈沖信號,通過叉指換能器轉化為聲表面波,遇到反射條后形成回波,回波通過叉指換能器重新轉化為電磁波并再次通過天線發射出去。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,它類似于條形碼圖案,每個脈沖的時間延遲取決于SAW傳播速度。信號后處理單元對脈沖延遲變化進行估計,實時解調出識別碼。
硬件電路設計
a.詢問單元設計
圖2為詢問單元方框圖。它由發射機、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頻率,即750MHz、330MHz和165MHz,它們由頻率綜合器產生。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,能同時提供射頻/中頻兩個頻率, 采用SPI接口控制,通過FPGA芯片對其內部寄存器進行配置。
ADF4127L產生的輸出頻率,被VCO鎖定在330MHz和750MHz。330MHz的VCO采用MAX2608,它可產生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信號經功率分配器分別提供給發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,另一路經二分頻產生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。
發射機:FPGA產生40ns的時間窗截取165MHz的載波,將其頻譜展寬,產生中心頻率為165MHz、帶寬為50MHz的脈沖信號,并送到SAW擴展器,形成一個線性調頻脈沖。SAW擴展器采用南京54所生產的聲表面波色散延遲線,帶寬為20MHz，經過擴展后的脈沖只有20MHz帶寬,擴展器衰減30dB。此信號經過中頻放大器AD8353放大后,與750MHz本振進行上變頻到915MHz,經射頻帶通濾波器濾除帶外雜波，再經MAX2235進行功率前置放大,由天線發射出去,形成詢問信號。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，具有很好的帶外衰減和通帶平坦度，廣泛應用在移動通信中。
詢問信號發射完畢后,天線開關立即打到接收位置,為接收做好準備。轉換開關采用Mini公司的KSWHA-1-20,它是一種GsAs開關,具有很高的隔離度,開關轉換速度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,首先經過濾波處理。在接收機中有兩個射頻濾波器：預選擇濾波器和鏡像抑制濾波器。預選擇濾波器濾除掉無用信號，以防止射頻前端發生飽和并產生交調失真。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，信號通過射頻放大器MAX2642進行放大,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。
經過射頻濾波和放大后,信號與本振750MHz進行下變頻。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，信號進入中頻SAW濾波器進行中頻濾波,再通過SAW壓縮器，輸出被壓縮的脈沖。被壓縮的信號經過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。
從詢問單元送來的經過正交下變頻的同相分量I和正交分量Q,經低通濾波器濾掉高頻分量,再經過8位模/數轉換器AD9058轉換為數字量,經FIFO緩存,送至DSP進行運算。FIFO選用HBA公司的FQV251,DSP選用TI公司的浮點處理器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。時鐘同步時,采用軟判決的相關處理算法,即根據兩路信號的平方和是否超過門限判斷當前位是0或1。
FPGA負責各種控制信號的產生,選用ALTERA公司MAX7000系列的EPM7032,可提供5000個可用門。EPROM選用ST公司的27C256。
系統軟件設計
軟件流程如圖5所示。系統開始工作后，DSP初始化，FPGA配置頻率綜合器ADF4127L,產生精準的頻率源。詢問機轉換開關指向發射位置，發射單元發射詢問脈沖信號,經過一段時間后，開關指向接收位置,接收單元接收回波信號，先進行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，詢問單元重新發出詢問信號，如此循環。解調出的識別碼通過串口送給外部設備，以供處理。
系統測試
本系統在高速公路收費站和停車場做了多次測試。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車輛，加快了車輛通過收費站的速度，在一定程度上緩解了交通緊張狀況，降低了收費站成本。
