汽車山區(qū)道路行駛安全預警系統(tǒng)設計研究

引言

近年來，人們一直都在關注和研究對山區(qū)公路上汽車的行駛安全性。預警系統(tǒng)作為一種新的主動安全系統(tǒng)將進一步增加汽車的安全性，減少事故的發(fā)生率，不斷滿足日益增長的市場。據(jù)Daimler Benz的調(diào)查顯示，提前0.5秒發(fā)出警報能防止60%的追尾事故，提前1.5秒能防止90%。因此，汽車山區(qū)道路行駛安全預警系統(tǒng)可以幫助駕駛員在山區(qū)路段行駛時，正確合理操縱汽車，減少交通事故發(fā)生概率，對保障山區(qū)道路安全行駛有其重要的意義。

預警系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)在車路耦合的汽車山區(qū)行駛安全度模型的基礎上，以汽車山區(qū)道路行駛安全預警系統(tǒng)為研究對象，實現(xiàn)信號采集、調(diào)理、傳送，最后達到預警的目的。要實現(xiàn)對車輛實時性的預警，就要對汽車運行工況、道路運行狀況和周圍環(huán)境條件等參數(shù)進行實時的采集，根據(jù)采集來相應數(shù)據(jù)確定其運行狀態(tài)，通過處理器進行預警算法后，最后做出相應的語音提示以保證駕駛員安全駕駛，達到降低交通事故的目的。

通過對本系統(tǒng)目的的研究，可以把預警系統(tǒng)的硬件電路大體上劃分為三個部分：輸入模塊（根據(jù)安全度模型確定的信號，傳感器采集）、數(shù)字信號處理器（DSP）模塊和輸出模塊（語音報警提示模塊）。其中以處理器為核心，通過總線和接口電路把信號輸入和輸出相連。這些模塊組成了山區(qū)道路車輛行駛安全預警系統(tǒng)的總體框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

預警系統(tǒng)的輸入模塊包括采集信號和處理采集的信號。本系統(tǒng)中需要采集的信號有車輛運行狀態(tài)信號（如車輛行駛速度等）、道路參數(shù)（如坡度等）及周圍環(huán)境條件（如溫度等）。這些信號的不同，需要選擇的傳感器和傳感器的調(diào)整電路也不同，后面將簡單介紹一下對車輛行駛速度信號的采集及處理電路設計。

數(shù)字信號處理器（DSP）由于具有高性能和靈活可編程的優(yōu)點而得到廣泛的應用，各個公司針對不同應用出品的DSP芯片品種繁多，因此在進行DSP系統(tǒng)設計時就涉及到對DSP芯片的合理選擇問題。TI公司生產(chǎn)的TMS320系列DSP是目前世界上最有影響的主流DSP產(chǎn)品，該芯片具有價格低廉、簡單易用、功能強大等特點。本系統(tǒng)選取的TMS320LF2407A這款DSP芯片，這是當今世界上集成度最高、性能最強的運動控制DSP芯片，為成功預警后擴展其控制功能打下良好基礎。

預警系統(tǒng)的輸出模塊主要就是語音提示模塊。在離可能發(fā)生危險之前的一段時間發(fā)出語音提示信號，及早的警示駕駛員正確操縱汽車，并做出積極的防護措施，以達到降低交通事故發(fā)生的效果。

預警系統(tǒng)硬件設計

山區(qū)道路行駛安全度模型主要是分析山區(qū)道路的大長下坡、上坡和彎道上車輛行駛狀況，需要采集的信號較多，其輸入信號電路也有所不同，下面先簡單介紹下對車輛行駛速度信號的采集及處理電路設計。

轉(zhuǎn)速傳感器的調(diào)整電路設計

汽車行駛速度測量采用霍爾開關傳感器。本文選擇型號為2SS52M的霍爾傳感器，根據(jù)其主要技術參數(shù)可知：2SS52M霍爾傳感器為電壓型傳感器，其輸出電壓范圍為0~3.3V，沒有超過DSP A/D轉(zhuǎn)換電壓。但是在實際應用時，由于霍爾傳感器通常裝在電機轉(zhuǎn)子軸上，必然受到較強的電磁干擾，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，它發(fā)出的信號需要先經(jīng)過高速光電隔離后才能進行處理。另外，為了使霍爾轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)送的正交編碼脈沖是標準的正弦波形，采用了74LVC14A芯片對其信號進行整形，整形之后的波形輸入DSP的QEP引腳。其電路接法如圖2所示。由于74LVC14A芯片是六反向施密特觸發(fā)器，它可以將非矩形波變換成矩形波。其整形原理如圖3所示。

圖2 霍爾傳感器調(diào)整電路

圖3 用施密特觸發(fā)器對脈沖整形

語音提示模塊的硬件設計

語音提示是語音芯片ISD1730驅(qū)動揚聲器實現(xiàn)的。

當汽車在山區(qū)道路上運行時，由輸入模塊采集所需信號信息，經(jīng)控制器模塊綜合計算判斷其安全程度，若不安全，再由DSP(TMS320LF2407A)模塊輸出控制語音模塊，語音芯片輸出的音頻信號通過功放電路輸出，從而實現(xiàn)預警功能。DSP(TMS320LF2407A)內(nèi)部集成了SPI接口，可方便的與ISD1730進行串行通信，TMS320LF2407A與語音芯片的接口電路如圖4所示。[!--empirenews.page--]

圖4 TMS320LF2407A與語音芯片的接口電路

從圖4中可以看出，DSP與語音芯片ISD1730之間用四根線相連，DSP的SPISTE管腳與ISD1730的片選信號SS相連，該引腳控制ISD1730語音芯片是否選通，DSP的SPISIMO管腳接ISD1730的串行數(shù)據(jù)輸入端MOSI，該引腳為語音芯片提供控制命令字和放音地址，DSP的SPIMISO管腳接ISD1730的串行數(shù)據(jù)輸出端MISO，DSP從該管腳接收的語音芯片返回的信號，DSP的SPICLK管腳接ISD1730的串行時鐘輸入端SCLK，該引腳為語音芯片ISD1730提供時鐘信號，ISD1760的Rosc端接80K的電阻到地，即可設置采樣頻率為8KHz，最大錄音時間為60s；系統(tǒng)在實現(xiàn)預警之前，可先使用錄音軟件錄制好所需的.wav格式音源文件，再將音源文件輸入電腦的CoolEdit或Goidwave軟件進行編輯，然后將所需要播音的內(nèi)容通過ISD1700S語音編程拷貝機分段錄制到語音芯片中（SPI模式進行多片芯片語音信息的拷貝。

系統(tǒng)軟件設計

只有軟件和硬件的結合才能更好的完成預警功能。前面已經(jīng)對系統(tǒng)的硬件電路進行了設計，下面介紹一下預警系統(tǒng)功能的軟件部分。

在TMS320LF2407A軟件設計過程中，采用匯編指令設定硬件相關的寄存器，編寫I/O輸入輸出程序；采用C語言編寫行駛安全預警算法程序。TMS320LF2407A車輛山區(qū)行駛安全預警軟件結構如圖5所示，本系統(tǒng)軟件設計分為主控模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、I/O模塊和預警模塊4個模塊。主控程序模塊控制整個軟件的運行。A/D模塊將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；I/O模塊控制TMS320LF2407A與外部的數(shù)據(jù)輸入輸出；預警模塊得到行駛安全程度值和語音提示信號。下面主要介紹下預警流程。

圖5 預警系統(tǒng)軟件結構圖

預警流程

預警系統(tǒng)是當汽車在山區(qū)道路行駛時快要發(fā)生不安全時進行語音報警。軟件結構主要包括系統(tǒng)初始化子程序、SPI初始化程序和中斷服務子程序三部分，主程序負責判斷是否需要播報語音信息，以及找到該語音信息的存儲地址，中斷服務子程序負責將接收到的地址放入語音芯片的APC寄存器中進行保存。其實現(xiàn)預警的過程如下。

圖6 預警流程圖

DSP（TMS320LF2407A）A/D接口對采集的信息進行數(shù)字化，然后通過預警算法程序得到車輛行駛安全程度值，并給語音芯片ISD1730提供預警信號。預警流程如圖6（見下頁）。程序開始運行后，首先初始化DSP的控制寄存器SCSR，然后初始化A/D控制寄存器ADCTRL、MAXCONV、CHSELSEQ，接著設置SPI端口參數(shù)，再配置中斷IMR、IFR。在這之后A/D自動轉(zhuǎn)換開始運行，A/D采樣得到的車輛運行工況、道路參數(shù)和周圍環(huán)境條件等值經(jīng)過山區(qū)道路車輛行駛安全度預警算法計算得出當時車輛行駛的安全程度值，然后對模型中的安全閾值進行比較判斷，根據(jù)預警安全程度的不同執(zhí)行不同的程序。當安全程度較低時，則DSP執(zhí)行預警子程序進行語音播報預警。

結束語

本文通過對山區(qū)道路行駛安全預警系統(tǒng)的軟、硬件設計，最終要實現(xiàn)車輛在山區(qū)道路上的安全行駛，在危險將要發(fā)生的前幾秒時間內(nèi)提醒駕駛員，了解當時的運行狀態(tài)，以便更好的做出相應的補救措施。這對減少山區(qū)道路交通事故，保障人們財產(chǎn)和人身安全都有著重大的現(xiàn)實意義。