专利名称：基于虚拟仪器的汽车防撞报警系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于虚拟仪器的汽车防撞报警系统。
背景技术：
随着我国高速公路的快速发展，交通事故特别是碰撞性事故呈上
升态势。据有关资料显示，在公路交通事故中，有86%为双车或多车 碰撞事故。驾驶员在高速公路长途行驶容易疲劳，注意力不集中，导 致汽车偏离正常路线，夜间或雾天能见度差，发现前方车辆不及时而 导致追尾相撞。研究表明，驾驶员只要在有碰撞危险前1秒得到报警 信号，就可以避免90%的交通事故。
经检索，尚未发现与本申请技术方案相同的对比文献。 发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于虚拟仪器的汽 车防撞报警系统。
本实用新型解决其技术问题所采用技术方案
本实用新型由收发前端、发射及接收天线、调制信号产生电路、 触发信号产生电路、中频信号处理电路、装有图形化编程软件LabVIEW 的计算机、USB数据采集卡、扬声器组成；调制信号产生电路的一路 输出端接收发前端中的压控振荡器的输入端，其另一路输出端接触发 信号产生的电路的输入端；发射天线接收发前端中的定向耦合器的输 出端，接收天线接收发前端中的混频器的输入端；所述混频器的输出 端接中频信号处理电路的输入端；中频信调理电路和触发信号产生电 路的输出端分别接所述USB数据采集卡相应的输入端，所述USB数据 采集卡的输入端还接有本车速度信号，USB数据采集卡与计算机双向 连接，扬声器接'USB数据采集卡的相应输出端。
本实用新型所述收发前端采用26GHz零拍型收发前端组件。
本实用新型所述USB数据采集卡采用BC421数据采集卡。
本实用新型工作原理
虚拟仪器是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通 过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算 机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量控制能力结合在一起，大大縮小了仪器硬件的成本和体积。LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering )是美国国家仪器公司(National Instruments-NI)推出的虚拟仪器软件开发平台，是一种图形化编程 语言，它具有丰富的函数库，可以完成数据采集、分析、显示、存储 等功能。
本系统采用LabVIEW7. 0编程，配合毫米波雷达传感器和高速数 据采集卡，可实现对前方车辆运动参数的动态监测和自动报警。
本实用新型的有益效果是能实时测量对面车辆的距离和速度，当 预见到有碰撞危险时，自动发出警示信息，帮助驾驶员及时刹车，避 免碰撞事故发生。
图l为本实用新型的原理框图。
图2为调制信号产生电路和触发信号产生电路的电路原理图。 图3为前置中频放大器和频域压縮电路的电路原理图。 图4为第一级双增益对数放大器的电路原理图。 图5为本实用新型的信号采集与处理程序框图。 图6为本实用新型的信号采集与处理图型化程序图。 图7为本实用新型的虚拟控制面板图。
具体实施方式
由卜7所示的实施例可知，它由收发前端、发射及接收天线、调 制信号产生电路、触发信号产生电路、中频信号处理电路、装有图形 化编程软件LabVIEW的计算机、USB数据采集卡、扬声器组成；调制
信号产生电路的一路输出端接收发前端中的压控振荡器的输入端，其 另一路输出端接触发信号产生的电路的输入端；发射天线接收发前端 中的定向耦合器的输出端，接收天线接收发前端中的混频器的输入 端；所述混频器的输出端接中频信号处理电路的输入端；中频信调理 电路和触发信号产生电路的输出端分别接所述USB数据采集卡相应 的输入端，所述USB数据采集卡的输入端还接有本车速度信号，USB 数据采集卡与计算机双向连接，扬声器接USB数据采集卡的相应输出 端。
所述收发前端采用26GHz零拍型收发前端组件。 所述USB数据采集卡采用BC421数据采集卡。 所述调制信号产生电路为由单片机IC5及其外围元件晶体J24M、电容C8-C11 、电阻R15、A/D转换器IC6及其外围元件稳压二极管VD4、 VD5、电容C12、 C13、电阻R16、 R18、跟随器IC7及其外围元件电阻 R17、电容C14、 C26组成的三角波发生器；单片机IC5的P0. 0-P0. 7 分别接A/D转换器IC6的DB0-DB7,单片机IC5的P2. 0-P2. 3分别接 A/D转换器IC6的DB8-DB11,单片机IC5的写信号输出端16脚接A/D 转换器IC6的写信号输入端13脚，A/D转换器IC6的输出端4脚接 跟随器IC7输入端3脚。
所述触发信号产生电路由集成块IC1-IC4及其外围元件电阻 Rl-R2、 R5-R14、电位器W1-W3、电容C1-C7、稳压二极管VD1-VD3组 成；其中集成块IC1及其外围元件组成跟随器，集成块IC2及其外围 元件组成比较器，集成块IC3、 IC4及其外围元件分别组成单稳态电 路；跟随器IC1的输入端3脚经电容Cl接三角波发生器中的跟随器 IC7的输出端6脚；跟随器IC1的输出端1脚接比较器IC2的输入端 2脚，比较器IC2的输出端1脚经电容C2接单稳态电路IC3的输入 端2脚，单稳态电路IC3的输出端3脚经电容C5接单稳态电路IC4 的输入端2脚。
所述中频信号处理电路由前置中频放大器、频域压縮电路和对数 年中频放大器组成；
所述前置中频放大器由集成块IC8及其外围元件电阻R19-R21、 电容C15、 C16组成；集成块IC8的负向输入端经电阻R19接所述混 频器的输出端0UT/B;
所述频域压縮电路为由电阻R22、 R23、电容C17、 C18组成的R、 C 二阶Butterworth高通滤波器；所述高通滤波器接在所述前置中频 放大器的输出端，即集成块IC8的输出端；
所述对数中频放大器由6级结构相同的双增益对数放大器串联 组成；第一级双增益对数放大器由集成块IC9及其外围元件电阻 R24-R26、电容C19-C21、晶体管VT1、VT2及其外围元件电阻R27-R33、 电容C22-C25组成;集成块IC9及其外围元件组成增益为1的放大器； 晶体管VT1、 VT2及其外围元件组成差动放大器；上述两个放大器并 联，即放大器IC9的负向输入端依次经电阻R24、电容C19接所述高 通滤波器的输出端OUT/E，所述差动放大器的晶体管VT1的基极经电 阻R27接所述高通滤波器的输出端OUT/E;放大器IC9和差动放大器 的输出端分别经电容C22、 C25后并接至接下一级的双增益对数放大器的输入端，最后一级双增益对数放大器的输出端0UT/D接所述USB 数据采集卡的输入端IN/D。
本实施例的主要技术指标如下
(1) 发射信号中心频率26GHz，射频带宽300MHz，发射功率20mw。
(2) 距离测量范围1 100m，距离测量误差《士0. lm。
(3) 速度测量范围0 150km/h，速度测量误差《士2km/h。
(4) 接收机最大增益120dB，动态范围80dB。
(5) 系统刷新时间30ms。 本实施例的工作原理(参见图1-7):
(1) 调制信号产生电路形成一低频三角波，此三角波送入压控 振荡器(VCO)控制其中心频率f。，经三角波调制的毫米波信号通过 定向耦合器、发射天线向空间辐射电磁波，遇到目标后的反射信号经 接收天线加到混频器，与定向耦合器来的发射信号混频，中频信夸经 信号中频信号处理电路放大与滤波后送USB数据采集卡，由计算机显 示屏上的虚拟控制面板(见图7)显示由计算机计算出的相对距离和 速度，并根据危险程度发出相应的警示信号。
(2) 毫米波收发前端 收发前端是防撞系统的重要部件。目前有超声波雷达、毫米波雷
达和激光雷达三种组成方式。工作在毫米波段的线性调频连续波 (FMCW)雷达与其它两种测量方式相比具有显著的优点。其工作频率 高、波长短，可有效地縮小波束角度、减小天线尺寸，电路简单、成 本低，尤其适合在恶劣气候条件下工作。本系统选择26GHz零拍型收 发前端组件，其压控振荡器(VCO)带宽为300MHz，发射功率20mW， 探测距离大于100米。
(3)调制和触发信号产生电路 调制和触发信号产生电路如图2所示。IC6的4脚产生频率为 0. 5KHz，幅度为1. 2V的三角波经过跟随器IC7 (隨l)的6脚输出。 此三角波一路送收发前端中的压控振荡器(VCO)形成线性调频波， 另一路送到IC1、 IC2、 IC3、 IC4组成的触发信号产生电路形成同步 信号。其中IC3/3脚输出相对于三角波上升段的采集同步信号；IC4/3
脚输出相对于三角波下降的段采集同步信号。 (4)中频信号处理电路 本系统采用MAX410 (IC8)完成前置放大，如图3所示，通过选择R19、 R20，将增益设定为39dB。
FMCW雷达反射信号功率随着距离(频率)增大以四次方的关系 减小，混频器输出的信号幅度按每10倍频程40dB的斜率衰减。泄漏 三角波的基波频率为l/T=0.5KHz。对混频后的三角波基波抑制应大 于90dB。
为得到与反射信号幅度变化相反的滤波特性，选用R、 C二阶 Butterworth高通滤波器构成压縮网络。电路构成如图3所示。
为满足整机增益和动态范围的要求，选用对数放大器。用6级结 构相同的双增益放大器串联组成。小信号增益和动态范围可达到 83.9dB。第一级双增益对数放大器电路如图4所示。运算放大器AD603 (IC9)为低增益放大器(K二l)， VT1、 VT2组成高增益限幅差动放大 器(K=4)，两放大器输出通过公共负载电阻R33实现相加。
在整个频率(距离)范围内，混频器输出信号在100mv-0.01mv 范围内变化时，其输出信号幅度被控制在2. l-2.5V范围内，输入信 号动态范围大于80dB。
(5) USB信号采集卡
本系统采用BC421数据采集卡。BC421是一款USB总线12位高 速采集模块，具有16路模拟输入、AD转换速度1000KHz (1 u S转 换时间)，开关量16路输入/16路输出，二路20位加法计数器(计 数器通道O支持频率测量功能)。采用USB2.0总线，支持即插即用、 实时采集。采集卡支持内、外部触发采集模式。
中频信号接到USB数据采集卡0号通道，本车速度传感器脉冲信 号接到USB数据采集卡计数器0号端口 ，两个采集同步信号分别接到 USB数据采集卡相应的触发端口 。
(6) 距离、速度测量原理
对于固定目标，发射信号与回波信号时间差为AT, AT=2R/C。 其中R为目标与雷达之间距离，C为电磁波传播速度。混频器输出的 中频信号为fn f产(4BR) / (TC)。 T为调制三角波周期，B为发射 信号带宽。对于运动目标，反射信号中包含多普勒频率fd， ff2V/入。 入为发射信号波长，V为目标相对运动速度。根据上述关系，可得到 距离R、相对速度V的表达式
"—(/a+^FC (i)fI+、 fV分别为调制信号上升段和下降段对应的中频频率，f。为发射信
号中心频率。因此，只要实时测量fI+、 f卜，就可通过上述公式计算 出距离和速度。
(7)软件编制 a、信号采集与处理程序
信号采集与处理框图如图5所示，程序运行后，首先进行通道及 采样参数配置，然后分别采集三角波上升段及下降段对应的中频信号 并送频率测量模块计算出fI+、 fV，中间插入本车速度测量模块。根 据fV、 fV和本车速度Vb可计算出R、 V、和前车速度V2，再根据安全 距离模型确定是否报警。初始参数配置完成后，下面几个处理步骤用 LabVIEW中的顺序结构分为4帧(见图6)，完成一次处理所需时间 约为30ms，当相对车速为100km/h时，刷新一次速度数据产生的距 离改变量为0. 83m，基本满足实时测量要求。
第1帧、第2帧分别采集三角波上升段及下降段对应的中频信号。 顺序结构外面几个控件为采集卡配置初始参数。AIConfigVI (硬件 配置)通过虚拟控制面板指定釆集卡设备号为1、通道号为0、缓存 区大小为1000。 AI Sart VI (启动)可按照设定的采样频率和采样 点数启动一次采集。根据中频信号频率范围(6KHz 200KHz)，取采 样频率Fs4MHz，采样点数tfs二1000。此时，在频率低端(近距离)， 仍可采集5个信号周期。AI Sart VI还可以配置触发类型和触发斜 率，本设计将触发类型设为digital A，即使用数字型触发，触发斜 率设为rising (上升沿触发)。AI Read VI (读数据)的作用是从计 算机缓存中读取采集到的1000个数据点，1、 2帧两组读出数据分别 由数据线送到第4帧进行频率测量。AI Clear VI (清除配置)的作 用是停止采集，释放缓存和USB数据采集卡上资源。
第3帧完成本车速度测量。本车速度Vi采用直接对车速里程表传
感脉冲计数的方法得到，车速里程表传感器由安装在变速箱输出轴上 的8只(根据车型不同，也有6只、4只结构)磁钢和固定在变速箱 壳体上的霍尔探头组成。当输出轴旋转时，每转可产生8个脉冲。将 霍尔感应脉冲整形后输入到采集卡计数器0号端口 ，对USB数据采集 卡上20MHz时基脉冲计数，测量两个脉冲之间的时间间隔Tv，根据速度里程表技术参数n (速比1公里对应的输出轴转数)、a (每转 产生脉冲个数)可计算出N二 n a (N为1公里对应的脉冲个数)和1 个传感脉冲周期对应的距离(1000/N)，用此值除以测量到的实际脉冲 周期(1000/N)/Tv，可得到本车速度Vi。
第4帧完成频率测量。在LabVIEW中有多种频率测量方法，时域 法简单直接，但对信号信噪比要求较高。频域法先对采集信号做快速 富立叶变换(FFT)，然后算出最大值谱线所对应的频率值。频域法抗干 扰能力较强，通过校正可以做到较高的精度，本设计选用LabVIEW中 Extract Single Tone Information VI完成频率测量(图中VI-:^、 VI-f2)。由两个频率测量VI输出fI+、 fV后代入公式(1)、 (2)可得 到R、 V，由V「V得到V2。将R、 V、 V2输入到安全距离判断模块， 根据安全距离数据表决定是否报警。
b、虚拟控制面板设计(见图7):
虚拟控制面板使用一个XY Graph图形控件显示车辆的运行情况， 图形控件在垂直方向上显示目标距离，在水平方向上显示相对速度。 用4个数字指示控件分别显示本车速度Vi、前车速度V2、相对速度V、 距离R，用2个数字输入控件设置速比系数ri和传感头个数a ( n 和a根据不同车型所配置的数字式速度里程表确定)，一个红色信号 灯显示临界安全距离。检测到前方车辆时，显示器上将出现绿色长方 形图标，图标几何中心在水平方向上的位置代表了本车与前车的相对 速度，垂直方向代表两车相对距离。随着距离的縮短，图标沿垂直方 向向下移动，当两车距离达到安全距离边界时，红色报警指示灯亮， 图标变为红色，同时响起警报声，提醒驾驶员刹车减速。
权利要求1、基于虚拟仪器的汽车防撞报警系统，其特征在于它由收发前端、发射及接收天线、调制信号产生电路、触发信号产生电路、中频信号处理电路、装有图形化编程软件LabVIEW的计算机、USB数据采集卡、扬声器组成；调制信号产生电路的一路输出端接收发前端中的压控振荡器的输入端，其另一路输出端接触发信号产生的电路的输入端；发射天线接收发前端中的定向耦合器的输出端，接收天线接收发前端中的混频器的输入端；所述混频器的输出端接中频信号处理电路的输入端；中频信调理电路和触发信号产生电路的输出端分别接所述USB数据采集卡相应的输入端，所述USB数据采集卡的输入端还接有本车速度信号，USB数据采集卡与计算机双向连接，扬声器接USB数据采集卡的相应输出端。
2、 根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的汽车防撞报警系统， 其特征在于收发前端采用26GHz零拍型收发前端组件。
3、 根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的汽车防撞报警系统， 其特征在于所述USB数据采集卡采用BC421数据采集卡。
4、 根据权利要求3所述的基于虚拟仪器的汽车防撞报警系统， 其特征在于所述调制信号产生电路为由单片机IC5及其外围元件晶 体J24M、电容C8-C11、电阻R15、 A/D转换器IC6及其外围元件稳压 二极管VD4、 VD5、电容C12、 C13、电阻R16、 R18、跟随器IC7及其 外围元件电阻R17、电容C14、 C26组成的三角波发生器；单片机IC5 的P0. 0-P0. 7分别接A/D转换器IC6的DB0-DB7,单片机IC5的 P2. 0-P2. 3分别接A/D转换器IC6的DB8-DB11，单片机IC5的写信号 输出端16脚接A/D转换器IC6的写信号输入端13脚，A/D转换器IC6 的输出端4脚接跟随器IC7输入端3脚。
5、 根据权利要求4所述的基于虚拟仪器的汽车防撞报警系统， 其特征在于所述触发信号产生电路由集成块IC1-IC4及其外围元件 电阻Rl-R2、 R5-R14、电位器W1-W3、电容C1-C7、稳压二极管VD1-VD3 组成；其中集成块IC1及其外围元件组成跟随器，集成块IC2及其外 围元件组成比较器，集成块IC3、 IC4及其外围元件分别组成单稳态 电路；跟随器IC1的输入端3脚经电容Cl接三角波发生器中的跟随 器IC7的输出端6脚；跟随器IC1的输出端1脚接比较器IC2的输入端2脚，比较器IC2的输出端1脚经电容C2接单稳态电路IC3的输 入端2脚，单稳态电路IC3的输出端3脚经电容C5接单稳态电路IC4 的输入端2脚。
6、根据权利要求5所述的基于虚拟仪器的汽车防撞报警系统， 其特征在于所述中频信号处理电路由前置中频放大器、频域压縮电路 和对数中频放大器组成；所述前置中频放大器由集成块IC8及其外围元件电阻R19-R21、 电容C15、 C16组成；集成块IC8的负向输入端经电阻R19接所述混 频器的输出端0UT/B;所述频域压縮电路为由电阻R22、 R23、电容C17、 C18组成的R、 C 二阶Butterworth高通滤波器；所述高通滤波器接在所述前置中频 放大器的输出端，即集成块IC8的输出端；所述对数中频放大器由6级结构相同的双增益对数放大器串联 组成；第一级双增益对数放大器由集成块IC9及其外围元件电阻 R24-R26、电容C19-C21、晶体管VT1、 VT2及其外围元件电阻R27-R33、 电容C22-C25组成;集成块IC9及其外围元件组成增益为1的放大器； 晶体管VT1、 VT2及其外围元件组成差动放大器；上述两个放大器并 联，即放大器IC9的负向输入端依次经电阻R24、电容C19接所述高 通滤波器的输出端OUT/E，所述差动放大器的晶体管VT1的基极经电 阻R27接所述高通滤波器的输出端OUT/E;放大器IC9和差动放大器 的输出端分别经电容C22、 C25后并接至接下一级的双增益对数放大 器的输入端，最后一级双增益对数放大器的输出端0UT/D接所述USB 数据采集卡的输入端IN/D。
专利摘要本实用新型涉及一种基于虚拟仪器的汽车防撞报警系统。它由收发前端、发射及接收天线、调制信号产生电路、触发信号产生电路、中频信号处理电路、计算机、USB数据采集卡、扬声器组成；调制信号产生电路的一路输出端接收发前端中的压控振荡器的输入端，其另一路输出端接触发信号产生的电路的输入端；所述混频器的输出端接中频信号处理电路的输入端；中频信调理电路和触发信号产生电路的输出端分别接所述USB数据采集卡相应的输入端，所述USB数据采集卡的输入端还接有本车速度信号。本实用新型的有益效果是能实时测量对面车辆的距离和速度，当预见到有碰撞危险时，自动发出警示信息，避免碰撞事故发生。
文档编号H03F3/45GK201296224SQ200820106299
公开日2009年8月26日 申请日期2008年10月24日 优先权日2008年10月24日
发明者杰 张, 张大彪 申请人:张大彪