汽車山區(qū)道路行駛安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

引言

近年來，人們一直都在關(guān)注和研究對(duì)山區(qū)公路上汽車的行駛安全性。預(yù)警系統(tǒng)作為一種新的主動(dòng)安全系統(tǒng)將進(jìn)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(bào)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(yù)警系統(tǒng)可以幫助駕駛員在山區(qū)路段行駛時(shí)，正確合理操縱汽車，減少交通事故發(fā)生概率，對(duì)保障山區(qū)道路安全行駛有其重要的意義。

預(yù)警系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

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(chǔ)上，以汽車山區(qū)道路行駛安全預(yù)警系統(tǒng)為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、調(diào)理、傳送，最后達(dá)到預(yù)警的目的。要實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛實(shí)時(shí)性的預(yù)警，就要對(duì)汽車運(yùn)行工況、道路運(yùn)行狀況和周圍環(huán)境條件等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，根據(jù)采集來相應(yīng)數(shù)據(jù)確定其運(yùn)行狀態(tài)，通過處理器進(jìn)行預(yù)警算法后，最后做出相應(yīng)的語音提示以保證駕駛員安全駕駛，達(dá)到降低交通事故的目的。

通過對(duì)本系統(tǒng)目的的研究，可以把預(yù)警系統(tǒng)的硬件電路大體上劃分為三個(gè)部分：輸入模塊（根據(jù)安全度模型確定的信號(hào)，傳感器采集）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）模塊和輸出模塊（語音報(bào)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(hào)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(yù)警系統(tǒng)的總體框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

預(yù)警系統(tǒng)的輸入模塊包括采集信號(hào)和處理采集的信號(hào)。本系統(tǒng)中需要采集的信號(hào)有車輛運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)（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(hào)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(duì)車輛行駛速度信號(hào)的采集及處理電路設(shè)計(jì)。

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）由于具有高性能和靈活可編程的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，各個(gè)公司針對(duì)不同應(yīng)用出品的DSP芯片品種繁多，因此在進(jìn)行DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就涉及到對(duì)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(jià)格低廉、簡單易用、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。本系統(tǒng)選取的TMS320LF2407A這款DSP芯片，這是當(dāng)今世界上集成度最高、性能最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制DSP芯片，為成功預(yù)警后擴(kuò)展其控制功能打下良好基礎(chǔ)。

預(yù)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(xiǎn)之前的一段時(shí)間發(fā)出語音提示信號(hào)，及早的警示駕駛員正確操縱汽車，并做出積極的防護(hù)措施，以達(dá)到降低交通事故發(fā)生的效果。

預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(hào)較多，其輸入信號(hào)電路也有所不同，下面先簡單介紹下對(duì)車輛行駛速度信號(hào)的采集及處理電路設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)速傳感器的調(diào)整電路設(shè)計(jì)

汽車行駛速度測(cè)量采用霍爾開關(guān)傳感器。本文選擇型號(hào)為2SS52M的霍爾傳感器，根據(jù)其主要技術(shù)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于霍爾傳感器通常裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上，必然受到較強(qiáng)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(hào)需要先經(jīng)過高速光電隔離后才能進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，采用了74LVC14A芯片對(duì)其信號(hào)進(jìn)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(duì)脈沖整形

語音提示模塊的硬件設(shè)計(jì)

語音提示是語音芯片ISD1730驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)汽車在山區(qū)道路上運(yùn)行時(shí)，由輸入模塊采集所需信號(hào)信息，經(jīng)控制器模塊綜合計(jì)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(hào)通過功放電路輸出，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。DSP(TMS320LF2407A)內(nèi)部集成了SPI接口，可方便的與ISD1730進(jìn)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(hào)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(hào)，DSP的SPICLK管腳接ISD1730的串行時(shí)鐘輸入端SCLK，該引腳為語音芯片ISD1730提供時(shí)鐘信號(hào)，ISD1760的Rosc端接80K的電阻到地，即可設(shè)置采樣頻率為8KHz，最大錄音時(shí)間為60s；系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)預(yù)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(jìn)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(jī)分段錄制到語音芯片中（SPI模式進(jìn)行多片芯片語音信息的拷貝。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

只有軟件和硬件的結(jié)合才能更好的完成預(yù)警功能。前面已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，下面介紹一下預(yù)警系統(tǒng)功能的軟件部分。

在TMS320LF2407A軟件設(shè)計(jì)過程中，采用匯編指令設(shè)定硬件相關(guān)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(yù)警算法程序。TMS320LF2407A車輛山區(qū)行駛安全預(yù)警軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為主控模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、I/O模塊和預(yù)警模塊4個(gè)模塊。主控程序模塊控制整個(gè)軟件的運(yùn)行。A/D模塊將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；I/O模塊控制TMS320LF2407A與外部的數(shù)據(jù)輸入輸出；預(yù)警模塊得到行駛安全程度值和語音提示信號(hào)。下面主要介紹下預(yù)警流程。

圖5 預(yù)警系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

預(yù)警流程

預(yù)警系統(tǒng)是當(dāng)汽車在山區(qū)道路行駛時(shí)快要發(fā)生不安全時(shí)進(jìn)行語音報(bào)警。軟件結(jié)構(gòu)主要包括系統(tǒng)初始化子程序、SPI初始化程序和中斷服務(wù)子程序三部分，主程序負(fù)責(zé)判斷是否需要播報(bào)語音信息，以及找到該語音信息的存儲(chǔ)地址，中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)將接收到的地址放入語音芯片的APC寄存器中進(jìn)行保存。其實(shí)現(xiàn)預(yù)警的過程如下。

圖6 預(yù)警流程圖

DSP（TMS320LF2407A）A/D接口對(duì)采集的信息進(jìn)行數(shù)字化，然后通過預(yù)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(yù)警信號(hào)。預(yù)警流程如圖6（見下頁）。程序開始運(yùn)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(shè)置SPI端口參數(shù)，再配置中斷IMR、IFR。在這之后A/D自動(dòng)轉(zhuǎn)換開始運(yùn)行，A/D采樣得到的車輛運(yùn)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(yù)警算法計(jì)算得出當(dāng)時(shí)車輛行駛的安全程度值，然后對(duì)模型中的安全閾值進(jìn)行比較判斷，根據(jù)預(yù)警安全程度的不同執(zhí)行不同的程序。當(dāng)安全程度較低時(shí)，則DSP執(zhí)行預(yù)警子程序進(jìn)行語音播報(bào)預(yù)警。

結(jié)束語

本文通過對(duì)山區(qū)道路行駛安全預(yù)警系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，最終要實(shí)現(xiàn)車輛在山區(qū)道路上的安全行駛，在危險(xiǎn)將要發(fā)生的前幾秒時(shí)間內(nèi)提醒駕駛員，了解當(dāng)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，以便更好的做出相應(yīng)的補(bǔ)救措施。這對(duì)減少山區(qū)道路交通事故，保障人們財(cái)產(chǎn)和人身安全都有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。