Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ (АССОЦИАЦИЯ)

«КИСЛОВОДСКИЙ ГУМАНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

квыпускной квалификационной работе

«Автомобильный многофункциональный радар»

Студент Гончаренко Георгий Александрович

Кисловодск 2018



РЕФЕРАТ

управление микроклимат автоматизированный нейронечеткий

Выпускная квалификационная работа (ВКР) содержит 92 листа, 27 рисунков,

12 таблиц, список источников информации 14 наименований, 1 приложения.

АВТОМОБИЛЬНЫЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ РАДАР

В выпускной квалификационной работе (ВКР) разрабатываются структурная, функциональная и принципиальная схема электрические схемы автомобильного многофункционального акустического радара, позволяющего измерять дальность до объекта, находящегося на расстоянии от 0,5 до 9,9м от автомобиля и определять скорость их сближения в пределах от 0,1 до 5 м/с.

В ходе проектирования рассматриваются вопросы безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды при разработке радара, анализируются технико-экономические результаты. В процессе проведения экспериментальных исследований изучаются частотные свойства и характеристики направленности рупорных биморфных пьезокерамических вибраторов, измеряются уровни акустических шумов автомобилей.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1. Обоснование акустического метода измерения дельности

1.2.Анализ методов определения дальности

2. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РАДАРА

2.1.Выбор аппаратной платформы для реализации автомобильного радара

2.2 Обзор технических показателей Arduino

3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА РАДАРА

3.1 Описание функциональной схемы

3.2 Расчет мощности передатчика

3.3 Расчет погрешностей

3.4 Расчет биморфного пьезокерамического вибратора

4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАДАРА

4.1 Описание работы программы

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1 Измерение СКО шума автомобиля

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

6.1 Концепция экономического обоснования разработки научно-технического продукта

6.2 Определение общей продолжительности работы по созданию научно-технического продукта

6.3 Расчет временных затрат на проектирование устройства

6.4 Расчет себестоимости

6.5 Расчет цены изделия

6.6 Расчет экономического эффекта

6.7 Расчет годового экономического эффекта

7. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

7.1. Анализ причин возникновения опасных и вредных факторов при проектировании

7.2 Системный анализ надежности

7.3Мероприятия по повышению надежности работы устройства

7.4 Противопожарная безопасность в лаборатории

7.5 Защита окружающей природной среды

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время автомобилестроителями все более пристальное внимание уделяется безопасности водителя. Для этой цели уже разработаны многие электронные устройства, позволяющие либо уменьшить вероятность столкновения, либо облегчить последствия аварии. Одними из таких устройств являются автомобильные радары ,определяющий расстояние до препятствия, находящегося на пути, и позволяющий водителю ориентироваться в потоке транспорта. Такие приборы помогают контролировать дистанцию до едущего впереди автомобиля, а также определять наличие преграды во время маневров при парковке.

При нынешних ценах на транспортные средства и всегда остающейся бесценной жизни человека использование устройства, позволяющего сберечь и то и другое, является чрезвычайно актуальным.

Еще в 1964 году американскими разработчиками был предложен радар, предназначенный для обнаружения препятствий и измерения расстояния до них с быстродвижущегося автомобиля. В устройстве использовался акустический метод измерения дальности. При этом масса выносного акустического блока составляла около 3 кг /1/, а электронная часть, выполненная на электронных лампах, занимала объем около 10 дм³. Сканирование пространства производилось механическим покачиванием двух пар излучателей и приемников в пределах ± 30⁰ . Выделение в гетеродинном приемнике разностных частот позволяло измерять расстояние до преграды и скорость движения.

Однако это устройство не получило широкого распространения из-за большой массы, малой мощности и достаточно высокой цены.

В настоящее время некоторые фирмы устанавливают более совершенные радары на выпускаемые автомобили. Но судя по тому, что такими приборами оснащаются только автомобили представительского класса, как например «Мерседес-600», стоимость этих устройств по-прежнему остается достаточно высокой. Другим недостатком выпускаемыхпарктроников является то, что они определяют, как правило, только расстояние до препятствия и не измеряют скорость сближения с ним.

Условия и цели эксплуатации автомобильного радара накладывают достаточно жесткие требования, как на конструкцию радара, так и на способ измерения расстояния. Прибор должен быть экономичен, прост в эксплуатации, устойчив к вибрации и изменению температуры, иметь по возможности меньшие габариты и массу. Устройство должно обладать разрешением по дальности, с тем, чтобы выделять только наиболее приближенный к автомобилю объект.

Задачей ВКР является разработка автомобильного радара, удовлетворяющего перечисленным требованиям, обладающего приемлемой стоимостью и высокой надежностью.

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Обоснование акустического метода измерения дельности

Согласно заданию необходимо разработать автомобильный радара, предназначенный для определения дальности до ближайшего объекта, а также для определения скорости сближения автомобиля с данным объектом. При этом прибор должен определять расстояние в диапазоне от 0,3 до 9,9 м и скорость от 0,1 до 5 м/с. Установленное на автомобиль такое устройство должно, предупреждая о наличии препятствия на пути, обезопасить движение в потоке транспорта или парковку.

Таким образом, необходимо обеспечить обзор участка дороги длиной примерно 10 м и шириной немного больше ширины легкового автомобиля

- 2 м. При этом радар не должен отмечать объекты, находящиеся вне границ заданного коридора. Это условие накладывает определенные требования на диаграмму направленности устройства.

При использовании для измерения расстояния диапазона СВЧ можно синтезировать антенную систему со сканирующим лучом, обеспечивая тем самым высокоточную пространственную селекцию. Однако реализация моноимпульсного метода локации на малых расстояниях до объекта достаточно сложна из-за слишком коротких, порядка наносекунд задержек зондирующих импульсов. К тому же стоимость антенной системы и радиоэлементов СВЧ для такого радара будет достаточно высокой.

Используя метровый диапазон можно реализовать метод с непрерывным облучением объекта. Но реализовать узкую ДН на такой частоте без использования антенной системы больших размеров невозможно.

Перспективным видится использование в радаре акустических волн. Обладая значительно более медленной скоростью распространения

(320-350 м/с). По сравнению с электромагнитными волнами, акустические волны позволяют получить большое время задержки зондирующего сигнала, что существенно облегчает измерения.

Небольшая (0,1 - 1,7 см) длина ультразвуковых волн в воздушной среде, позволяет реализовать узкую диаграмму направленности при достаточно малых размерах акустических блоков.

Первые, практически пригодные звуколокационные устройства для работы в воздухе появились в послевоенные годы. Они обеспечивали возможность обнаружения препятствий на расстоянии до 10м и предназначались для ориентации слепых.

В дальнейшем акустические приборы этого типа усовершенствовались в направлении повышения надежности и уменьшения габаритов. Было получено несколько патентов на устройства для измерения расстояний в воздушной среде, основанных на способе небольшой частотной модуляции излучаемых колебаний по синусоидальной или пилообразной функций, в которых о расстоянии до отраженного объекта можно судить по разностному току между излучаемым и принимаемым сигналами.

К первым известным акустическим измерителям расстояний, предназначенным для промышленных целей, относятся установки УЗП-2 и

АУ-1 для дистанционного профилирования стенок шахт и измерения уровней заполнения резервуаров жидкими веществами. В основу построения этих устройств положена схема эхолота, работающего по времяимпульсному способу измерения расстояний. Установка УЗП-2 содержит механический коммутатор возбуждения магнитострикционного, звукоприемник и регистратор. Запись расстояний от помещенного в вертикальный ствол шахты акустического блока до стенки ствола осуществлялась на электротермической бумаге. В установке АУ-1 были применены электродинамические приемоизлучающие элементы и электронная схема коммутаций, позволившие повысить надежность и точность измерений. К недостаткам упомянутых устройств, следует отнести большую массу их акустических блоков и сравнительно невысокую точность.

В настоящее время на рынке появились недорогие компактные пьезоэлектрические устройства с приемлемыми характеристиками, а также микропроцессоры со встроенными аналого-цифровыми преобразователями и программируемые интегральные схемы (ПЛИС), что позволяет создать высоконадежное компактное устройство с приемлемой стоимостью[2,4].

1.2 Анализ методов определения дальности

В настоящее время существует несколько методов определения дальности, а именно:

- импульсный метод измерения;

- частотный метод измерения;

- фазовый метод измерения;

- комбинированный метод измерения;

Импульсный метод измерения дальности основывается на определении времени запаздывания принимаемого радиолокационного сигнала. Антенна посылает мощный радиоимпульс, который отражается от цели и ей же принимается. Время, за которое радиосигнал достигнет цели, равняется времени, за которое отраженный сигнал достигнет антенны . Таким образом, сигнал, излученный антенной , вернется к ней через удвоенное время запаздывания. СВЧ сигналы распространяются с постоянной скоростью и скорость распространения СВЧ сигнала в воздухе примерно равна его скорости распространения в вакууме с = 300 км/ч.

Дальность до цели D определяется по времени запаздывания отраженного целью сигнала относительно излученного

Минимальная дальность, на которой приемник может принять сигнал при отсутствии излучения передатчика, ограничена длительностью импульса передатчика ф_и

где t_в - время восстановления чувствительности приемника после окончания импульса передачи.

Для того чтобы постоянно определять дальность, радар должен испускать периодическую последовательность импульсов, - работать в импульсном режиме.

Для увеличения энергии излучаемого сигнала, определяющей дальность действия, необходимо увеличивать длительность импульсов ф_и, уменьшая скважность Т_п/ ф_и. Но при этом в соответствии с выражением возрастает D_min, то есть сокращается диапазон измеряемых дальностей (D_min - D_max), а также ухудшается разрешающая способность (Дф_р ф_и). Для преодоления этого противоречия используются два основных пути.

Первый путь. При большом относительном интервале измеряемых дальностей и невысокой относительной точности их измерения (примерно 1%) применяют автоматическое уменьшение длительности и периода повторения импульсов по мере сближения с целью, чтобы обеспечить на всех дальностях однозначную их оценку с заданной относительной точностью и хорошийэнергопотенциал.

Второй путь. При сравнительно небольшом относительном интервале измеряемых дальностей и высокой требуемой точности измерения используют излучение длинных импульсов с внутриимпульсной широкополосной фазокодовой или частотной модуляцией. Тысячекратное сжатие таких импульсов в приемнике позволяет соответственно улучшить точность оценки ф_р и разрешающая способность по сравнению с импульсами той же длительности без внутриимпульсной модуляции. При использовании этого метода временной интервал излучения передатчика равен длительности несжатого длинного импульса. Поэтому нижний предел измеряемых дальностей здесь такой же, как в системе с несжатым импульсом.

Эти пути решения не подходят для исполнения поставленных задач. Он усложняет устройство и делает его нерентабельным.

Если пренебречь энергетическими показателями (мощностью излучаемого и принимаемого сигнал), то можно применить разновидность импульсного метода - сверхширокополосный короткий импульс.

Частотный метод измерения дальности основан на использовании частотной модуляции излучаемых непрерывных сигналов.

В данном методе за период излучается частота, изменяющаяся по линейному закону.

Достоинства частотного метода измерения дальности:

- позволяет измерять очень малые дальности;

- используется маломощный передатчик.

Недостатки:

- необходимо использование двух антенн;

- ухудшение чувствительности приемника вследствие просачивания в приемный тракт через антенну излучения передатчика;

- высокие требования к линейности изменения частоты.

Измерение времени задержки сигнала ф_р фазовым методом заключается в определении соответствующего фазового сдвига колебаний масштабной частоты

щ_м = 2рf_м, в качестве которой может быть использована несущая частота сигнала, частота модуляции или частота биений несущих частот.

Фазовый сдвиг сигнала при его задержке на время ф_р равен ц_р = щ_мф_р = 2рf_мф_р, откуда



В случае применения фазового метода измерения сигнал проходит удвоенное расстояние и, следовательно, ф_р = 2D/c, откуда

Так как требования повышения точности и увеличения диапазона однозначного отсчета противоречат одно другому. Поэтому для устранения этого применяют несколько известных методов разрешения противоречия. Но применение этих методов, усложняет устройство и делает фазовый метод «комбинированным», то есть этот метод не применяется отдельно от других методов.

Пример:

- многошкальный метод;

- метод маневра частоты;

- фазокодовый метод разрешения частоты.

Достоинства фазового метода измерения дальности:

- маломощное излучение, т.к. генерируются незатухающие колебания;

- точность не зависит от доплеровского сдвига частоты отражения;

- достаточно простое устройство.

Недостатки:

- отсутствие однозначного разрешения по дальности;

- ухудшение чувствительности приемника вследствие просачивания в приемный тракт через антенну излучения передатчика, подверженного случайным изменениям.

Очевидно, у каждого метода есть свои преимущества и недостатки. Поэтому из всех перечисленных методов для определения расстояния до препятствия выбираем фазовый метод. Этот метод позволяет измерять расстояния от 0,05 до 10 м. Так как необходимо точечное значение дальности, будем использовать лазерный радар. Современные лазерные удовлетворяют требованиям к погрешностям в ТЗ.

2 ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ РАДАРА

2.1 Выбор аппаратной платформы для реализации автомобильного радара

В акустических методах измерения расстояния в воздушной среде используется активная звуколокация, то есть звуковое облучение контролируемого объекта со стороны измерительного устройства. При активной звуколокации каждый канал используется для одномерного измерения взаимного пространственного положения контролируемой преграды и измерительного устройства, то есть для определения расстояния объекта от средств измерения.

Во всех акустических методах и средствах измерения расстояний можно выделить следующие основные процедуры:

- генерирование электрических колебаний, их кодирование (модуляция) и преобразование в направленные акустические волны, распространяющиеся в воздушной среде;

- прием отраженных от контролируемой преграды акустических волн и их преобразование в электрические сигналы;

- выделение полезного сигнала, полученного при отражении только от контролируемого объекта;

- снижение или полное исключение непостоянства физических характеристик воздушной среды на результаты измерений;

- получение совокупности параметров, характеризующих пространственное положение контролируемого объекта (в многоканальных системах контроля);

- индикация и регистрация результатов измерений.

При звуколокации в воздушной среде, как и при других способах локации, расстояние измеряется посредством определения интервала времени, затрачиваемого на прохождение соответствующего пути звуковыми волнами.

Использование такого параметра акустических волн, как их амплитуда, не может обеспечить, сколько либо точных измерений в естественных условиях из-за весьма ощутимой зависимости от состояния среды. Немодулированные звуковые колебания, излучаемые преобразователем, сами по себе являются источником информации об удалении отражающей поверхности от средств измерений. Определение расстояний обеспечивается при модуляции акустических сигналов тем или иным способом и измерении времени, прошедшего с момента излучения промодулированных колебаний до момента их приема. При этом предполагается, что скорость распространения колебаний в среде известна.

При использовании авто радара было бы желательно наличие параметров, характеризующих пространственное положение контролируемого объекта не только по дальности, но и по углу. Это может быть обеспечено либо использованием нескольких (как минимум двух) каналов измерения, либо применением качающейся в горизонтальной плоскости диаграммой направленности акустического блока. Первый вариант более предназначен для использования в автомобиле, так как он обладает большей надежностью.

Необходимость исключения непостоянства акустических характеристик среды заставляет вводить в систему дополнительный называемый измерительный канал, позволяющий вводить коррективы в информацию о расстоянии, полученную из основного рабочего канала. Измерительный канал содержит передающий и приемный акустические блоки, расположенные на некотором фиксированном расстоянии друг от друга. Измеряя расстояние при помощи такого канала (реальное расстояние известно) можно определить скорость звука в воздушной среде при конкретных погодных условиях.

Измерение скорости можно выполнять двумя способами: использовать изменение частоты отраженного от движущегося объекта сигнала (эффект Доплера) или находить разность в местоположении объекта в различные моменты времени. Более предпочтительным представляется второй вариант, как не требующий дополнительных аппаратных усложнений.

Обработку полученной информации целесообразно выполнять цифровыми методами вследствие их более высокой точности и более широких возможностей. При этом возникает необходимость преобразования аналоговых сигналов, полученных от датчиков расстояний в цифровые. Это требует использования в схеме радара аналого-цифровых преобразователей (АЦП)[3]. Для обработки результатов измерений и их отображения требуется выполнение определенных математических преобразований и операции. Это предполагает использование в схеме радара микропроцессоров с встроенными АЦП. Такие микропроцессоры выпускаются промышленностью (например, PIC-контроллеры, AVR- контроллеры, ARM-контроллеры,

STM-контроллеры). При выборе типа микропроцессора будем руководствоваться следующими принципами: количество встроенных АЦП, разрядность, объем встроенной памяти и, конечно стоимость).

Анализ характеристик перечисленных микропроцессоров, позволяет сделать выбор в пользу PIC-контроллеров. В таблице 2.1 приведены параметры контроллеров.

Таблица 2.1 - Параметры контроллеров серии PIC16F87

Параметр	PIC16F870	PIC16F873	PIC16F876	PIC18F252
Максимальнаятактоваячастота,МГц	20	20	20	40
Сброс(задержкасброса)	POR,BOR(PWRT,OST)	POR,BOR(PWRT,OST)	POR,BOR (PWRT,OST)	POR,BOR (PWRT,OST)
Флэш-памятьпрограмм	2KЧ14	4KЧ14	8KЧ14	16KЧ16
Количествобанковпамяти программ	1	2	4
Памятьданных	128	192	368	1536
Количествобанковпамяти данных	1	2	4
EEROM	64	128	256	256
Модультаймеров	1-16bit 2-8bitWDT	3-16bit 1-8bitWDT	3-16bit 1-8bitWDT	3-16bit 1-8bitWDT
Векторыпрерываний	1	1	1	2
Кол-воАЦП	5(10bit)	5(10bit)	5(10bit)	5(10bit)
МодульШИМ, 10бит	1	1	1	2
SerialI/O	USART	USART, MI2C/SPI	USART, MI2C/SPI	USART, MI2C/SPI

2.2 Обзор технических показателей Arduino

Существует множество различных программно вычислительных платформ, подходящих для нашего ТЗ. Рассмотрев все преимущества и недостатки, пришел к выводу что Arduino является наиболее подходящей по нескольким причинам. Одна из основных - это популярность. Благодаря высокой популярности данной платформы, производители периферийных устройств ориентируются именно на эту платформу, тем самым обеспечивая легкую синхронизацию устройств с Arduino, без дополнительных элементов или трансформаторов. Как аналог данной платформы можно рассматривать Iteaduino 2.0



Рисунок 1.1 - Отладочнаяплатформа Arduino Mega 2560 (видсверху).

Рисунок 1.2 - Отладочная платформа ArduinoMega 2560 (вид снизу).

Общие сведения Arduino

ArduinoMegaпостроена на микроконтроллере ATmega2560. Плата имеет 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей. ArduinoMega 2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Unoили Duemilanove.

Краткие характеристики Arduino



Таблица 1.1

Микроконтроллер	ATmega2560
Рабочее напряжение	5В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12В
Входное напряжение (предельное)	6-20В
Цифровые Входы/Выходы	54 (14 из которых могут работат также как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	16
Постоянный ток через вход/выход	40 mA
Постоянный ток для вывода 3.3 В	50 mA
Флеш-память	256 KB (из которых 8 КB используются для загрузчика)
ОЗУ	8 KB
Энергонезависимая память	4 KB
Тактовая частота	16 MHz

Питание Arduino

ArduinoMega может получать питание как через подключение по USB, так и от внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически.

Внешнее питание (не USB) может подаваться черезпреобразователь напряжения AC/DC (блок питания) или аккумуляторной батареей. Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с положительным полюсом на центральном контакте. Провода от батареи подключаются к выводам Gnd и Vin разъема питания (POWER). 

Платформа может работать при внешнем питании от 6 В до 20 В. При напряжении питания ниже 7 В, вывод 5V может выдавать менее 5 В, при этом платформа может работать нестабильно. При использовании напряжения выше 12 В регулятор напряжения может перегреться и повредить плату. Рекомендуемый диапазон от 7 В до 12 В.

Плата Mega2560, в отличие от предыдущих версий плат, не использует FTDI USB микроконтроллер. Для обмена данными по USB используется микроконтроллер Atmega8U2, запрограммированный как конвертер USB-to-serial.

Выводы питания Arduino

· VIN. Вход используется для подачи питания от внешнего источника (в отсутствие 5 В от разъема USB или другого регулируемого источника питания). Подача напряжения питания происходит через данный вывод. Если питание подается на разьем 2.1mm, то на этот вход можно запитаться.

· 5V. Регулируемый источник напряжения, используемый для питания микроконтроллера и компонентов на плате. Питание может подаваться от вывода VIN через регулятор напряжения, или от разъема USB, или другого регулируемого источника напряжения 5 В. 

· 3V3. Напряжение на выводе 3.3 В генерируемое микросхемой FTDI на платформе. Максимальное потребление тока 50 мА.

· GND. Выводы заземления.

Память Arduino

Микроконтроллер ATmega2560 имеет: 256 кБфлеш-памяти для хранения кода программы (4 кБ используется для хранения загрузчика), 8 кБ ОЗУ и 4 Кб EEPROM (которая читается и записывается с помощью библиотеки EEPROM).

Входы и Выходы Arduino

Каждый из 54 цифровых выводов Mega, используя функции pinMode(), digitalWrite(), и digitalRead(), может настраиваться как вход или выход. Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (стандартно отключен) 20-50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции:

· Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX); Последовательная шина 1: 19 (RX) и 18 (TX); Последовательная шина 2: 17 (RX) и 16 (TX); Последовательная шина 3: 15 (RX) и 14 (TX). Выводы используются для получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Выводы 0 и 1 подключены к соответствующим выводам микросхемы последовательной шины ATmega8U2.

· Внешнее прерывание: 2 (прерывание 0), 3 (прерывание 1), 18 (прерывание 5), 19 (прерывание 4), 20 (прерывание 3), и 21 (прерывание 2). Данные выводы могут быть сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем фронте, или при изменении значения. Подробная информация находится в описании функции attachInterrupt().

· PWM: 2 до 13 и 44-46. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8 бит при помощи функции analogWrite().

· SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Посредством данных выводов осуществляется связь SPI, например, используя библиотеку SPI. Также выводы SPI могут быть выведены на блоке ICSP, который совместим с платформами Uno, Duemilanove и Diecimila.

· LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. Если значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит.

· I2C: 20 (SDA) и 21 (SCL). Посредством выводов осуществляется связь I2C (TWI). Для создания используется библиотека Wire (информация на сайте Wiring). Расположение выводов на платформе Mega не соответствует расположению Duemilanove или Diecimila.

На платформе Mega2560 имеется 16 аналоговых входов, каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить верхний предел посредством вывода AREF и функции analogReference().

Дополнительная пара выводов платформы

· AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с функцией analogReference().

· Reset. Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает микроконтроллер. Обычно применяется для подключения кнопки перезагрузки на плате расширения, закрывающей доступ к кнопке на самой плате Arduino.

Связь платформы

На платформе Arduino Mega2560 установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega2560 поддерживает 4 порта последовательной передачи данных UART для TTL. Установленная на плате микросхема ATmega8U2 направляет один из интерфейсов через USB, предоставляя виртуальный COM порт программам на компьютере (машинам под упровлениемWindows для корректной работы с виртуальным COM портом необоходим .inf файл, системы на базе OSX и Линукс, автоматически распознаю COM порт). Утилита мониторинга последовательной шины (SerialMonitor) среды разработки Arduino позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе. Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему ATmega8U2 и USB подключение (но не при использовании последовательной передачи через выводы 0 и 1). 

Библиотекой SoftwareSerial возможно создать последовательную передачу данных через любой из цифровых выводов Mega2560.

ATmega2560 поддерживает интерфейсы I2C (TWI) и SPI. В Arduino включена библиотека Wire для удобства использования шины I2C. Более подробная информация находится на сайте Wiring. Для связи по SPI, используется библиотека SPI.

SPI - популярный интерфейс для последовательного обмена данными между микросхемами. Интерфейс SPI, наряду с I2C, относится к самым широко-используемым интерфейсам для соединения микросхем. Изначально он был придуман компанией Motorola, а в настоящее время используется в продукции многих производителей. Его наименование является аббревиатурой от 'SerialPeripheralBus', что отражает его предназначение - шина для подключения внешних устройств. Шина SPI организована по принципу 'ведущий-подчиненный'. В качестве ведущего шины обычно выступает микроконтроллер, но им также может быть программируемая логика, DSP-контроллер или специализированная ИС. Подключенные к ведущему шины внешние устройства образуют подчиненных шины. В их роли выступают различного рода микросхемы, в т.ч. запоминающие устройства (EEPROM, Flash-память, SRAM), часы реального времени (RTC), АЦП/ЦАП, цифровые потенциометры, специализированные контроллеры и др.

Главным составным блоком интерфейса SPI является обычный сдвиговый регистр, сигналы синхронизации и ввода/вывода битового потока которого и образуют интерфейсные сигналы. Таким образом, протокол SPI правильнее назвать не протоколом передачи данных, а протоколом обмена данными между двумя сдвиговыми регистрами, каждый из которых одновременно выполняет и функцию приемника, и функцию передатчика. Непременным условием передачи данных по шине SPI является генерация сигнала синхронизации шины. Этот сигнал имеет право генерировать только ведущий шины и от этого сигнала полностью зависит работа подчиненного шины.

Программирование Arduino

Платформа программируется посредством среды разработки Arduino. Это уникальная программная среда, которая берет свое начало от C++. Большинство команд осталось неизменными. Окно компилятора выглядит следующим образом:



Рисунок 1.3 - Программная среда

Сверху слева панель с кнопками проверки на ошибки и компиляции, стоп, загрузки в микроконтроллер, создание нового файла, прокрутки верх и вниз, выбор платформы.

Микроконтроллер ATmega2560 поставляется с записанным загрузчиком, облегчающим запись новых программ без использования внешних программаторов. Связь осуществляется оригинальным протоколом STK500.

Имеется возможность не использовать загрузчик и запрограммировать микроконтроллер через выводы блока ICSP (внутрисхемное программирование).

Код прошивки для контроллера ATmega8U2 доступен для свободного скачивания. Контроллер ATmega8U2 имеет собственный DFU загрузчик, который может быть активирован замыканием джампера на обратной стороне платы и перезагрузкой контроллера. Для записи новой прошивки возможно использовать Atmel's FLIP (под Windows) или DFU программатор (на Mac OS X или Linux). Также можно переписать прошивку внешним программатором, используя ISP вход.

Автоматическая (программная) перезагрузка

Mega разработана таким образом, чтобы перед записью нового кода перезагрузка осуществлялась самой программой, а не нажатием кнопки на платформе. Одна из линий ATmega8U2, управляющих потоком данных (DTR), подключена к выводу перезагрузки микроконтроллера ATmega2560 через конденсатор 100 нФ. Активация данной линии, т.е. подача сигнала низкого уровня, перезагружает микроконтроллер. Программа Arduino, используя данную функцию, загружает код одним нажатием кнопки Upload в самой среде программирования. Подача сигнала низкого уровня по линии DTR скоординирована с началом записи кода, что сокращает таймаут загрузчика.

Функция имеет еще одно применение. Перезагрузка Mega2560 происходит каждый раз при подключении к программе Arduino на компьютере с ОС Mac X или Linux (через USB). Следующие полсекунды после перезагрузки работает загрузчик. Во время программирования происходит задержка нескольких первых байтов кода во избежание получения платформой некорректных данных (всех, кроме кода новой программы). Если производится разовая отладка скетча, записанного в платформу, или ввод каких-либо других данных при первом запуске, необходимо убедиться, что программа на компьютере ожидает в течение секунды перед передачей данных.

На Mega2560 имеется возможность отключить линию автоматической перезагрузки разрывом соответствующей линии. Контакты микросхем с обоих концов линии затем могут быть соединены с целью восстановления. Линия маркирована «RESET-EN». Отключить автоматическую перезагрузку также возможно подключив резистор 110 Ом между источником 5 В и данной линией.

Токовая защита разъема USB

В Arduino Mega2560 встроена перезагружаемая плавкая вставка, защищающая порт USB компьютера от токов короткого замыкания и сверхтоков. Хотя практически все компьютеры имеют подобную защиту, тем не менее, данный предохранитель обеспечивает дополнительный барьер. Предохранитель автоматически прерывает обмен данных при прохождении тока более 500 мА через USB порт.

Физические характеристики и совместимость с платами расширения

Длинна и ширина печатной платы Mega2560 составляют 10,2 и 5.3 см соответственно. Разъем USB и силовой разъем выходят за границы данных размеров. Три отверстия в плате позволяют закрепить ее на поверхности. Расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 равняется 0,4 см, хотя между другими выводами оно составляет 0,25 см.

Arduino Mega2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Uno, Duemilanove или Diecimila. Расположение выводов 0 - 13 (и примыкающих AREF и GND), аналоговых входов 0 - 5, силового разъема, блока ICSP, порта последовательной передачи UART (выводы 0 и 1) и внешнего прерывания 0 и 1 (выводы 2 и 3) на Mega соответствует расположению на вышеприведенных платформах. Связь SPI может осуществляться через блок ICSP, как на платформах Duemilanove / Diecimila, так и на Mega2560.

При анализе технического задания было определено, что наиболее подходящим для проектируемого автомобильного радара является использование акустического метода измерения расстояний. Выбирая рабочую частоту, следует учитывать тот факт, что с одной стороны с ее ростом уменьшаются размеры излучателей и датчиков ультразвуковых колебаний, а с другой стороны довольно резко увеличивается коэффициент затухания акустических волн в воздушной среде. Наиболее приемлемым частотным диапазоном для ультразвуковой локации является диапазон 20-50 кГц. При конкретном выборе несущей частоты необходимо учитывать наличие промышленно выпускаемых излучателей и датчиков ультразвуковых колебаний. Анализ показал, что наибольшее количество таких для несущей частоты 40 кГц. В качестве метода измерения расстояний в проектируемом радаре используется импульсный метод звуколокации, как наиболее простой, эффективный и экономичный.

Проектируемый радар должен обеспечивать безопасность перемещения автомобиля в пространственном коридоре, размеры которого оговариваются в техническом задании. В данном случае возникает необходимость обзора пространства, имеющего в горизонтальной плоскости прямоугольную форму, с размерами примерно 2 x 10 метров, где 2 м - ширина коридора,10 м - его длина.

На рисунке 2.1 изображена модель обзора пространства акустическими блоками, имеющими различные диаграммы направленности.

Рисунок 2.1 - Модель обзора пространства

При использовании пьезопреобразователя с шириной ДН равной и₁ в зону наблюдения попадут участки пространства, лежащие вне границ коридора. Это может привести к тому, что предметы, находящиеся в стороне от движения автомобиля будут восприниматься устройством как препятствия. В случае использования акустического блока с шириной ДН и₂ такой проблемы не возникает. При этом, однако, остаются в тени объекты, расположенные справа и слева от главного луча ДН. Представляется целесообразным использовать две дополнительные акустические головки, расположенные, как показано на рисунке 2.1 и имеющие ширину основного лепестка ДН по уровню половинной мощности и₂ (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Расположение дополнительных акустических блоков

Передняя граница коридора AD расположена на расстоянии OG от автомобиля. Этот отрезок является минимальным расстоянием, определяемым радаром, и равен в соответствии с техническим заданием 0.3 м. Необходимую ширину ДН основного акустического блока и₁ можно найти по формуле

(2.1)

где BE - половина ширины коридора, OE соответствует его длине.

При размерах коридора 2х10 м формула (2.1) дает следующее значение 11,4°.

Ширина диаграммы направленности двух дополнительных головок, расположенных на расстоянии 0.5м справа и слева от основной определяется по формуле:



и равна 90°.

Размеры секторов, просматриваемых дополнительными акустическими головками, можно ограничить глубиной обзора R (см. рисунок 2. 2) равной

2 м, уменьшив тем самым ширину облучаемого радаром коридора.

При таком ограничении сектора обзора два участка коридора оказываются в зоне тени. С этим приходится мириться, так как избавиться от них можно лишь используя большое количество узконаправленных акустических блоков, что значительно повысит стоимость устройства.

Таким образом, для обеспечения сектора обзора, достаточно точно соответствующего заданному, необходимы один акустический преобразователь с шириной ДН равной примерно 11° и два с шириной ДН равной 90°. Исследовательский зонд принимает команды на устройство связи - радиомодуль. Из радиомодуля команда поступает непосредственно на Arduino, где обрабатывается и выполняется. Ток, необходимый для запуска сервоприводов, слишком большой и может повредить микроконтроллер. Для того чтобы снять нагрузку с микроконтроллера используют реле. Данные с радара поступают на Arduino, а затем на модуль связи рисунок 2.

Рисунок 2.3 - Структурная схема устройства.

Показанный на структурной схеме (рис.2.2) блок радара) реализуется в расширенном виде, как показано на рисунке 2.4

Рисунок 2.4 - Структурная схема автомобильного радара

Здесь РК1 - РК3- рабочие каналы, ИК - измерительный канал.

Измерительный канал служит для измерения скорости звука перед началом работы рабочих каналов. Рабочие каналы предназначены для непосредственного измерения расстояния для препятствий и скорости сближения с ним. Структура измерительного и рабочих каналов одинакова. Они содержат пьезокерамические преобразователи для излучения (ПКП) ультразвукового сигнала и его приема (ПКП), усилители принятых сигналов (У), усилители мощности (УМ) и детекторы (Д).

Информация из четырех каналов поступает на входы АЦП микроконтроллера, где выполняется преобразование отраженного сигнала в цифровую форму и измеряется время задержки сигналов, принятых в каждом из каналов. Полученные результаты обрабатывается микроконтроллером и через его порты выводятся на индикаторы ИНД1, ИНД2, а также на генератор звуковой частоты ГЗЧ. Индикатор ИНД1 показывает расстояние до препятствие, индикатор ИНД2 - скорость сближения с препятствием, а ГЗЧ включается, когда возникает опасная ситуация. Для формирования сигналов пачек ультразвуковых сигналов используется программируемая интегральная микросхема ПЛИС. В ней по командам их микроконтроллера формируются пачки ультразвуковых импульсов, которые через усилители мощности УМ подаются на ПКИ. Помимо этого предусмотрена возможность вывода информации о положении автомобиля на матричный LCD-дисплей, который может отображать визуально информацию о положении автомобиля относительно возможных препятствий.

Для исключения взаимных помех между измерительным и рабочими каналами излучаемые ИК и РК каналами сигналы разнесены во времени. При включении автомобильного радара сначала включается измерительный канал, выполняется измерение скорости звука в текущий момент времени, а затем начинают работать рабочие каналы.

Как в измерительном, так и в рабочем канале передающий и приемный тракт используют раздельные ультразвуковые излучатели. Это решение позволило упростить схемотехническую реализацию автомобильного радара и избежать известных издержек, возникающих при использовании общего излучателя: построения коммутатора мощных сигналов, борьбы с переходными процессами в приемном тракте, дополнительных шумов, создаваемых на входе приемника передающим трактом и т.д.



3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА РАДАРА

3.1 Описание функциональной схемы

Функциональная схема представляет собой более подробную версию структурной. Arduino состоит из микроконтроллера, памяти и тактового генератора. Микроконтроллер выполняет основную функцию - обработку данных. В памяти хранится основная программа. Тактовый генератор задает частоту работы микроконтроллера. Функциональная схема представлена на рисунке 3.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема

Функциональная схема модуля радара, представленного на рис.3.1, показана на рисунке 3.2. По функциональному признаку в радаре можно выделить следующие устройства:

ОКГ - опорный кварцевый генератор;

ФПЗИ - формирователь пачек зондирующих импульсов;

Передатчики измерительного (ИК) и трех рабочих (РК) каналов;

Приемники измерительного (ИК) и трех рабочих (РК) каналов;

Формирователь пачек зондирующих импульсов (ФЗПИ);

Измерительно-вычислительный блок (ИВБ).

Проектируемый радара состоит из трех рабочих каналов

(РК1- РК3) служащих для измерения расстояния и одного измерительного канала (ИК), предназначенного для определения скорости звука в воздухе, а также из устройства обработки данных и блока синхронизации.

Измерительный канал содержит два идентичных биморфных акустических преобразователя: приемник и излучатель, расположенных на расстоянии 1м друг от друга.

Пьзокерамический излучатель (ПКИ) является нагрузкой усилителя мощности (УМ), который управляется сигналом модулятора (М). Сигнал, принятый приемником, усиливается и поступает на полосовой фильтр, настроенный на рабочую частоту радара. Затем сигнал ограничивается по амплитуде (ОГР) и детектируется. Выделенная детектором огибающая сигнала подается на компаратор, где формируется прямоугольный импульс, равный по длительности принятому сигналу.

Все рабочие сигналы построены одинаково и отличаются от измерительного тем, что в них использован один акустический преобразователь, работающий как на прием, так и на передачу, отсюда и необходимость в использовании коммутаторов (К). Усилители рабочих каналов содержат также цепи ВАРУ, управляющий сигнал на которые вырабатывается генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Применение ВАРУ обеспечивает получение на выходе усилителя сигналов, амплитудное значение которых не зависит от величины измеряемого расстояния.

Рабочие каналы функционируют в параллельном режиме. Выходы трех каналов подключены к схеме сравнения (СС), в которой определяется, по какому каналу был первым принят отраженный сигнал. Это позволяет определить сектор коридора, в котором обнаружено препятствие.

Формирователь пачек зондирующих импульсов ФПЗИ содержит два делителя частоты ДЧ1, ДЧ2, счетчик импульсов СЧ, формирователь импульсов ФИ и логический элемент 4И. Передатчики измерительных и рабочих каналов идентичны. Каждый из них содержит усилитель мощности УМ и пьезокерамический излучатель ПКИ.

Рисунок 3.2 - Функциональная схема радара

Измерительно-вычислительный блок (ИВБ) содержит один измерительный (ИК) и три рабочих (РК1, РК2,РК3) канала, подключенных к вычислительному блоку, а также блок управления приемом-передачей (БУПП). Измерительный и каждый из рабочих каналов содержат приемники, включающие в себя пьзокерамический преобразователь (ПКП) и усилитель (У), выход которого подключен черезаналого-цифровой преобразователь (АЦП) и пороговое устройство (ПУ) к входу счетчика. Счетчик выполняет роль накопителя сигналов и подсчитывает количество принятых приемником отраженных от препятствия зондирующих импульсов, превысивших установленный в ПУ порог. Выход счетчика подключен к вычислительному блоку, в котором измеряется задержка между зондирующими и отраженными импульсами и вычисляется дальность до препятствия.

Блок управления приемом-передачей (БУПП) управляет работой всех узлов схемы. Он формирует команды на излучение пачек зондирующих импульсов для передатчиков каждого из каналов, команды для сброса счетчиков принятых импульсов, команды для измерения времени задержки отраженных от препятствия сигналов по каждому каналу, а также команды вывода информации на индикаторы.

ФЗПИ реализован на базе ПЛИС, ИВБ на базе микроконтроллера PIC16F870.

Для исключения взаимных помех излучение и прием сигналов в измерительном и рабочих каналах разнесены во времени: они работают поочередно. При включении радарасначала включается измерительный канал, который используется для измерения скорости звука перед началом измерений, а затем поочередно с периодом 0,1 начинают работать рабочие каналы. Таким образом, исключаются взаимные помехи между каналами, а дискретность получения информации о текущей дальности до возможных препятствий и скорости сближения с ним не превышает 0,3 с.

На рисунке 3.3 приведены временные диаграммы сигналов в контрольных точках ФЗПИ.

x1 - выход ДЧ1; x2 - выход ДЧ2; x3 - выход СЧ;

Y1 -выход ФИ; Y2 - выход ФЗПИ

Рисунок 3.3 - Временные диаграммы сигналов контрольных точках ФЗПИ

Работа микроконтроллера управляется тактовой частотой 1 МГцкоторая формируется опорным кварцевым генератором ОКГ. Эта частота, проходя через двигатель ДЧ1с коэффициентом деления 25, поступает на один из входов логического элемента 4И в качестве несущей частоты. Делитель частоты ДЧ2 с коэффициентом деления 10 формирует тактовую частоту следования 4 кГц зондирующих импульсов. При измеряемом расстоянииl_max= 10м и минимальной скорости звука v = 3.3 м/с этопозволяет получить число счетных импульсов 255, максимально используя тем самым разрядность процессора.

Совместно с процессором работает программируемая интегральная схема (ПЛИС), которая используется для формирования управляющих сигналов. Она же выполняет функцию буферного регистра данных. Управляющие сигналы из нее поступают на дешифратор шины управления, сюда же подключается адресная шина.

Работа автомобильного радара организуется с программой, записанной в ПЗУ. Программа выполняется циклически. В начале каждого цикла работы программы определяется скорость звука в воздухе. Для этого процессор обращается к порту ввода с определенным адресом. Сигнал обращения выделяется дешифратором и поступает в блок ФЗПИ, который формирует импульс длительностью 70мс (см. рис. 3.2) который подается на вход формирователя импульсов

Следующим этапом работы программы является собственно определение расстояния до ближайшего объекта. Для этого процессор обращается к порту ввода с некоторым другим адресом. Сигнал обращения выделяется в блоке дешифратора. Далее процесс аналогичен выше описанному, вплоть до получения информации со счетчика (СЧ). Получив эту информацию, вычислительный блок обращается к третьему порту вывода. Сигнал обращения выделяется блоком дешифратором и поступает на триггер, устанавливая единицу на его выходе. Формирователь импульсов ФЗПИ (t_и = 0.1с) формирует импульс по предыдущему обращению процессора. Длительность этого импульса задает временной интервал между двумя измерениями расстояния рабочими каналами. Этот интервал необходим для определения скорости сближения с объектом. По окончании этого импульса и по положительному уровню на выходе триггера формируется запускающий сигнал, позволяющий получить пачку импульсов с длительностью 1 мс с интервалом 70 мс, необходимую для измерения расстояния.

По полученным результатам измерений процессор определяет необходимость выдачи сигнала об опасности, который подается через УВВ и дешифратор кодов (ДШ) на светодиодный индикатор в виде двухдекадного слова: о расстоянии в [дм], о скорости в [дм/с].

3.2 Расчет мощности передатчика

Мощность передатчика радара должна быть достаточной, чтобы обеспечить необходимое отношение сигнал/шум на входе приемника при отражении зондирующего сигнала от препятствия, расположенного на расстоянии 10 м от автомобиля. Шум на входе приемника можно считать нормальным, т. к. биморфный преобразователь имеет достаточно узкую полосу пропускания ?f = 3,2 кГц. Параметры сигнала за исключением амплитуды и начальной фазы известны. Информативным является время прихода зондирующего сигнала, отраженного от препятствия.

Для определения порогового отношения сигнал/шум необходимо задаться некоторой вероятностью ложной тревоги Р_лт.Для радара целесообразно принять Р _лт = 10^-2 .

Под ложной тревогой применительно к рассматриваемой схеме авто радара понимается превышение шумом порога хотя бы один раз на интервале от 0 доТ_мах(период ожидания отраженного сигнала), равном 0,064с.

Полоса пропускания полосового фильтра приемного тракта выбирается равной?f = 2 кГц. Откуда ширина спектра шума после детектирования

?f = 1 кГц. Таким образом, на интервале0 - Т _махбудет

N= 0,064* ?f= 64

независимых отсчета шума.

Вероятность ложной тревоги в том случае есть вероятность превышения шумом порогового уровня хотя бы 1 раз на интервале 0 - Т_махравна:

Р_лт = 1-(1-F_i)^N , (3.1)

где F_i - вероятность превышения шумом порога в одном отсчете,

N- число отсчетов.

Если принять Р_лт = 10^-2, , то из формулы (3.1) можно получить значение

F_i=1,57*10^-4

Зависимость вероятности ложной тревоги от порогового отношения синал/шум выражается формулой (8)

Р_лт = [1-Ф(о₀)](3.2)

где - интеграл вероятности,

о₀ -пороговое отношение сигнал/шум.

Подставляя в формулу (3.2) вместо Р_лтзначениеF_i=1,57*10^-4можно определить необходимое отношение сигнал/шум на выходе приемника

q_вых.= о₀ =3,55

Для дальнейших расчетов необходимо пересчитать отношение сигнал/шум, полученное ранее по входу приемника. Величина q_вых. Зависит от и типа приемника (8), который в рассматриваемом случае является детекторным, и определяется формулой

(3.3)

где ?f_пр = 2кГц - полоса пропускания приемника,

ф_u - длительность принимаемого импульса (1мс).

Из формулы (3.3) пороговое отношение сигнала/шум на входе приемника g_пор = 3,48. Зная величину СКО шума, вызванного работой двигателя автомобиля у_z (см. п.7.3) можно найти пороговое напряжение сигнала.

у_z= 30 * 10^-6 В, U_пор ? у_zg_пор , следовательно U_пор ? 104мкВ.

Вероятность правильного обнаружения находится по формуле

(3.4)

где g - отношение сигнал / шум на выходе приемника.

Используя формулы (3.2) и (3.4) можно рассчитать семейство характеристик обнаружения для различных значений о₀ (рисунок 3.3), где показана зависимость вероятности правильного обнаружения от отношения сигнал/шум для вероятностей ложной тревоги Р_лт=10^-2, 10^-3 ,10^-4 , 10^-5 . Им соответствуют кривые 1,2,3 и 4.

Рисунок 3.3 - Характеристики обнаружения

В устройстве используется импульсивный метод определения расстояния. Выбор длительности зондирующего импульса ограничен с одной стороны минимальным определяемым расстоянием l_мин = 0.5м, а с другой стороны полосой пропускания биморфного преобразователя ?f_лк? 3.2 кГц. При этих условиях целесообразным представляется выборt_и = 1 мс.

...