常用车载距离探测技术及装甲车辆防撞预警系统设计

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近年来，装甲车辆在日常训练过程中，恶性事故时有发生，给部队的人员生命及装备安全带来极大的损失。装甲车辆在行驶中通常采用闭仓驾驶，驾驶员视线受到影响，而部队训练又经常在丘陵地域，路况十分不好，特别是北方部队，训练时经常伴有大量的灰尘，这就大大增加了车辆事故的发生概率。造成装甲车辆碰撞的原因十分复杂，既有装甲车辆自身的因素，也有人为的因素，还有道路、气象等环境因素，总而言之，人、车、环境是影响车辆行驶安全性能的三大因素，这三者组成了相互制约的系统工程。

为了解决装甲车辆训练安全问题，本文提出开发研究一种能实时获取车辆位置信息并及时提醒驾驶员或者系统自动采取措施以避免出现危险情况的装甲车辆防撞预警系统，该系统的研究开发具有极大的现实意义和广阔的应用前景。

常用车载距离探测技术简介

目前，距离传感器主要分为三类：声学类——超声波；光学类——无源红外线、激光雷达及视频成像系统；电磁类——连续波雷达/单脉冲雷达及电容式传感器等。每一种距离探测技术都有其适用的场合。

（1）超声波传感器

超声波是频率在20KHz以上，人耳感觉不到的声波。与可闻声相比，它的特点是频率高，波长短，在传播中具有良好的束射性、穿透性和方向性。超声波距离传感器一般采用独立的发射器和接收器，发射器由高频信号（40KHz~80KHz）来激励。测量发射一个超声波脉冲至接收到反射信号所用的时间间隔，可以简单地估计出被测物体的距离。

其主要优点是成本较低、尺寸较小；主要缺点是有些目标物（如土壤和草木）的反射信号很弱而无法探测。另一个缺点是声波在空气中的传播时间随温度变化，因此，超声波传感器用于温度范围较大的场合时，必须进行温度补偿。故超声波传感器一般应用在较短距离测量上，最佳距离为4米到5米。

（2）无源红外线式传感器

无源红外线式传感器是基于测量传感器附近物体所发射的热能来实现测距的。与超声波距离传感器相同，无源红外线传感器的主要优点是成本低且尺寸小；主要缺点是响应时间过长，使驾驶员得到的提前报警常常不足以躲避碰撞，这就限制了其在车辆碰撞报警系统中的应用。

（3）激光雷达传感器

由于光束一般很集中，激光雷达主要用于大范围直线距离的测量。激光雷达量程大、方向性强且响应时间快，但成本高、易受外界环境（如能见度低、传感器表面有泥土）的影响。同时，激光能量必须在人眼安全水平范围之内。

（4）连续波雷达传感器

连续波雷达采用频率调制的高频电磁载波（一般为微波频率或者更高、通常为锯齿形信号）。比较反射信号与发射信号，可得到与被测距离成比例的频率差。利用返回信号的多普勒偏转还能确定被测物体的相对速度。

连续波雷达的突出优点是能穿透泥土和飞溅物“看到”物体；并且窄波束和宽波束均可以使用，因而能够把波束宽度调制得适于特殊用途。其主要缺点是微波和毫米波频段的电磁装置成本相对较高。另外，用电子学方法对相对窄的、探测距离大的波束进行扫描能得到更大的测程和波束宽度，但复杂度和成本随之增加。

防撞预警系统的基本功能及工作原理

根据野战条件下装甲车辆预防碰撞的需要，系统应具备以下功能：

（1）定位并显示附近车辆。应能定位出附近车辆位置，并在显示器中显示出来。

（2）当两车距离小于安全距离时报警。应能精确测得两车间的距离，当两车距离小于安全距离（5m）时，发出警报提醒驾驶员。

系统的工作原理：系统采用GPS系统对车辆进行定位，通过无线模块接收周围车辆位置并向外发送本车位置。在显示屏上显示周围车辆，并计算两车的距离，当两车距离小于15m时，使用距离传感器进行精确测距，当距离小于5m时发出警报。对比常用车载距离探测技术中各传感器的性能，由于距离传感器测距不需要太远，结合成本及体积等方面的考虑，选择超声波传感器作为本系统中的近距离测距器。

超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。

超声测距从原理上可分为共振式和脉冲反射式两种。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就停止计时。根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（S），即S=C×t/2，式中，C为超声波音速，由于超声波也是声波，故C即为音速。

声速与现场温度的经验公式：C＝331.5＋0.607T。只要测得超声波发射和接收回波的时间差t以及现场温度T，就可以精确计算出从发射点到障碍物的距离。

可以看出超声波测距系统的主要部分有：

（1）供应电能的脉冲发生器（发射电路）；
（2）使接收和发射隔离的开关部分；
（3）转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；
（4）接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；
（5）接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；
（6）记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。

在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，因此具有很高的抗干扰性能。

距离测量系统常用频率范围为25KHz~300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，有时分开使用。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。

系统的总体结构

设计本系统的主要目的是定位并显示附近车辆位置，测量车距，危险时发出警报。

根据实际的功能需求，将系统的整体设计分成探测系统和数据处理系统两个部分，其基本原理如图1所示。其中，探测系统主要包括GPS模块、超声波测距模块、无线模块、电源模块、主控电路和通信接口；数据处理系统主要包括显示模块、报警模块、电源模块和主控电路。

传感器、GPS和无线模块的选择

（1）超声波传感器的选择

超声波传感器采用美国SensComp公司的Sens600系列智能超声波传感器，Sens600是基于超灵敏测距模块6500的增强型静电传感器系列，集发送、接收于一体，新的电压控制电路使传感器可工作在6V～24V 直流电源下，测量范围0.15m～10.7m，可外部触发或内部触发，封装较小，终端引脚连接方便。由于超声波传感器接收到回波信号时，输出高电平，因此需在回波输出端连接反相器至单片机外部中断口，以便即时响应。另外，在超声波传感器开口端面增加喇叭状套筒设计，以限制和减少偏离发射轴中心较大的发射波和接收波，在一定程度上增强了抗干扰能力。

（2）温度传感器的选择

目前存在的温度传感器主要分为两种类型，即数字温度传感器和模拟式温度传感器。
数字温度传感器测量温度是将温度值直接转化为数字值输出。数字温度传感器具有以下的优点：①具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；②抗干扰能力强，稳定性好；③信号易于处理、传送和自动控制；④便于动态及多路测量，读数直观；⑤安装方便，维护简单，工作可靠性高。

结合各种因素考虑，本文选用Dallas半导体公司推出的单线式数字温度传感器DS18B20。

（3）GPS的选择

智能天线模块包含完整的GPS接收机，带内置天线在快速系统集成应用中，使其具有完全独立的GPS功能，基于这种充分设计的GPS子系统，集成只需要最短的开发时间、最低的开发成本以及最小的开发风险。对GPS智能天线模块的选择主要考虑：①特性（如节能模式和支持SBAS）；②易用性（特别是易配置性）；③定量指标（可测参数），如准确度、启动性能、跟踪灵敏度和功耗；④定性指标，包括由外场测试获得的可预期定位结果。
结合各种因素考虑，本文选用Starlight的ZG-P1121U模块。

（4）无线模块的选择

无线模块的选择主要考虑以下因素：①传输距离，无线模块的传输距离必须要满足装甲车辆野战条件的需要；②抗干扰性，要具备抗突发干扰和随机干扰的能力；③可操作性，要有可编程信道以满足用户多种通信组合方式；④经济性，性价比要高；⑤安全便利，安装、维护、更换要方便快捷，小体积、重量轻等。

结合各种因素考虑，本文选用深圳市泰达鑫通信技术有限公司推出的TDX-2000无线数传模块。

探测系统的设计

探测系统是指系统中负责数据探测和传送的部分，基本任务为接收数据处理系统的命令，利用GPS和超声波传感器定位和测距，通过无线模块接收周围车辆位置并向外发送本车位置，并将探测到的数据通过通信接口传送给数据处理系统。探测系统的结构如图1所示。

图1 系统总体结构图
探测系统的电路设计

探测系统电路设计主要包括超声波模块电路设计和通信接口电路设计。GPS模块和无线模块都是通过RS-232串口通信与单片机连接进行数据传输。

超声波测距模块电路设计

（1）超声波发射电路设计

超声波发射电路如图2所示。

图2 超声波发射电路图

（2）超声波接收电路设计

超声波接收电路如图3所示。

图3 超声波接收电路图

温度测量电路设计

温度的测量是利用数字温度传感器DS18B20，将采集到的温度数据通过主芯片MSP430F149的P54引脚传送给主芯片。

DS18B20的电路连接可以有两种方式：一种是使用寄生电源，另一种是使用外接电源。使用寄生电源方式时，进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时，给I/O线提供一个强上拉。用MOSFET把I/O线直接拉到电源上就可以实现。在发出任何涉及拷贝到E2存储器或启动温度转换的协议之后，必须在最多10?s之内把I/O线转换到强上拉。使用寄生电源方式时，VDD引脚必须接地。

使用外接电源时，引脚VDD连接V+5，这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。当加上外部电源时，GND引脚不能悬空。

根据系统的需要和实际情况，在这里采用寄生电源，主芯片的P54脚用于DS18B20的数据输入/输出引脚。具体电路如图4所示。

图4 温度测量电路图

通信接口电路设计

通信接口担负GPS模块和无线模块与主芯片数据交换及探测系统与数据处理系统数据交换的任务。
串行通讯只需较少的端口就可以实现单片机和外围设备的互通，具有无可比拟的优势。串行通讯有两种方式：异步模式和同步模式。MSP430系列都有USART模块来实现串行通信。在本设计中，MSP430F149的USART0模块通过RS-232串口与外围的串行设备通信。
本系统采用专用电平转换芯片MAX3232来实现通信（见图5）。MAX3232芯片是MAXIM公司生产的电平转换芯片，包含两路接收器和驱动器IC芯片，内部有一个电源转换器，可以把输入的+5V电压变换成为RS-232输出电平所需要的-10V~+10V电压。

图5 通信接口电路原理图

数据处理系统的设计

数据处理系统负责对探测系统采集的数据进行显示和计算，具体的任务有：①控制数据采集系统的工作状态；②接收并显示采集到周围车辆的位置信息；③当两车距离小于安全距离时发出警报。

数据处理系统主要是由主控电路、键盘、液晶显示屏、蜂鸣报警电路和通信接口组成，系统的结构如图1所示。

液晶显示电路的设计

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×l6个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
根据系统的需要和实际情况，在这里采用点阵图形式液晶显示，主芯片的P30脚用于数据输入/输出引脚。具体电路如图6所示。

图6 液晶显示电路图

报警电路的设计

在装甲车辆行驶途中遇有情况时，驾驶员需要得到声音报警提示，但是考虑到声音报警时间较短，采取声音提示可能来不及，所以系统报警方式设计为声音报警同时有灯光闪烁预警。发光报警模块由单片机控制的发光8位二极管来实现。由蜂鸣器发出声音报警的信号，本文报警单元的设计根据不同危险程度采用声、光结合的报警方式，更符合部队训练的要求。
声音报警使用蜂鸣器，通过I/O端口输出脉冲控制，改变脉冲的频率和作用时间来进行不同种类的提示或者报警。为了提高驱动能力，让蜂鸣器产生一定强度的声音，采用了对称的晶体管驱动，其电路如图7所示。

图7 蜂鸣报警电路原理图

系统软件设计

系统软件设计包括探测系统的软件设计和数据处理系统软件设计。

（1）探测系统的软件主要有以下任务：

①完成硬件系统如特殊功能寄存器和I/O口等的初始化；
②具有GPS模块、超声波模块、温度传感器及无线模块初始化和检查功能；
③具有对温度传感器采集的温度数字信号接收和存储功能；
④完成通信接口的初始化功能，实现与GPS模块、无线模块以及数据处理系统的数据传输；
⑤具有电源检测，保持低功耗状态的功能；

⑥具有数据滤波功能，剔除采集到的误差较大的数据。
（2）数据处理系统软件的主要任务有：

①完成硬件系统如特殊功能寄存器和I/O口等的初始化；
②完成显示屏显示采集到的数据显示；
③完成报警功能；
④完成通信模块设计。

结束语

本文针对目前装甲车辆在训练过程中存在的安全问题，提出设计一种装甲车辆防撞预警系统。该系统能实时获取车辆位置信息，及时提醒驾驶员或者系统自动采取措施以避免出现危险情况，系统原理可行，电路可靠，应用前景广阔。