汽车山区道路行驶安全预警系统设计研究

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引言
近年来，人们一直都在关注和研究对山区公路上汽车的行驶安全性。预警系统作为一种新的主动安全系统将进一步增加汽车的安全性，减少事故的发生率，不断满足日益增长的市场。据Daimler Benz的调查显示，提前0.5秒发出警报能防止60%的追尾事故，提前1.5秒能防止90%。因此，汽车山区道路行驶安全预警系统可以帮助驾驶员在山区路段行驶时，正确合理操纵汽车，减少交通事故发生概率，对保障山区道路安全行驶有其重要的意义。

预警系统总体方案设计
本系统在车路耦合的汽车山区行驶安全度模型的基础上，以汽车山区道路行驶安全预警系统为研究对象，实现信号采集、调理、传送，最后达到预警的目的。要实现对车辆实时性的预警，就要对汽车运行工况、道路运行状况和周围环境条件等参数进行实时的采集，根据采集来相应数据确定其运行状态，通过处理器进行预警算法后，最后做出相应的语音提示以保证驾驶员安全驾驶，达到降低交通事故的目的。
通过对本系统目的的研究，可以把预警系统的硬件电路大体上划分为三个部分：输入模块（根据安全度模型确定的信号，传感器采集）、数字信号处理器（DSP）模块和输出模块（语音报警提示模块）。其中以处理器为核心，通过总线和接口电路把信号输入和输出相连。这些模块组成了山区道路车辆行驶安全预警系统的总体框图，如图1所示。
  
图1 系统组成框图
预警系统的输入模块包括采集信号和处理采集的信号。本系统中需要采集的信号有车辆运行状态信号（如车辆行驶速度等）、道路参数（如坡度等）及周围环境条件（如温度等）。这些信号的不同，需要选择的传感器和传感器的调整电路也不同，后面将简单介绍一下对车辆行驶速度信号的采集及处理电路设计。
数字信号处理器（DSP）由于具有高性能和灵活可编程的优点而得到广泛的应用，各个公司针对不同应用出品的DSP芯片品种繁多，因此在进行DSP系统设计时就涉及到对DSP芯片的合理选择问题。TI公司生产的TMS320系列DSP是目前世界上最有影响的主流DSP产品，该芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点。本系统选取的TMS320LF2407A这款DSP芯片，这是当今世界上集成度最高、性能最强的运动控制DSP芯片，为成功预警后扩展其控制功能打下良好基础。
预警系统的输出模块主要就是语音提示模块。在离可能发生危险之前的一段时间发出语音提示信号，及早的警示驾驶员正确操纵汽车，并做出积极的防护措施，以达到降低交通事故发生的效果。

预警系统硬件设计
山区道路行驶安全度模型主要是分析山区道路的大长下坡、上坡和弯道上车辆行驶状况，需要采集的信号较多，其输入信号电路也有所不同，下面先简单介绍下对车辆行驶速度信号的采集及处理电路设计。
转速传感器的调整电路设计
汽车行驶速度测量采用霍尔开关传感器。本文选择型号为2SS52M的霍尔传感器，根据其主要技术参数可知：2SS52M霍尔传感器为电压型传感器，其输出电压范围为0~3.3V，没有超过DSP A/D转换电压。但是在实际应用时，由于霍尔传感器通常装在电机转子轴上，必然受到较强的电磁干扰，为了提高系统的抗干扰性能，它发出的信号需要先经过高速光电隔离后才能进行处理。另外，为了使霍尔转速传感器发送的正交编码脉冲是标准的正弦波形，采用了74LVC14A芯片对其信号进行整形，整形之后的波形输入DSP的QEP引脚。其电路接法如图2所示。由于74LVC14A芯片是六反向施密特触发器，它可以将非矩形波变换成矩形波。其整形原理如图3所示。
  
图2 霍尔传感器调整电路

图3 用施密特触发器对脉冲整形
语音提示模块的硬件设计
语音提示是语音芯片ISD1730驱动扬声器实现的。
当汽车在山区道路上运行时，由输入模块采集所需信号信息，经控制器模块综合计算判断其安全程度，若不安全，再由DSP(TMS320LF2407A)模块输出控制语音模块，语音芯片输出的音频信号通过功放电路输出，从而实现预警功能。DSP(TMS320LF2407A)内部集成了SPI接口，可方便的与ISD1730进行串行通信，TMS320LF2407A与语音芯片的接口电路如图4所示。

图4 TMS320LF2407A与语音芯片的接口电路
从图4中可以看出，DSP与语音芯片ISD1730之间用四根线相连，DSP的SPISTE管脚与ISD1730的片选信号SS相连，该引脚控制ISD1730语音芯片是否选通，DSP的SPISIMO管脚接ISD1730的串行数据输入端MOSI，该引脚为语音芯片提供控制命令字和放音地址，DSP的SPIMISO管脚接ISD1730的串行数据输出端MISO，DSP从该管脚接收的语音芯片返回的信号，DSP的SPICLK管脚接ISD1730的串行时钟输入端SCLK，该引脚为语音芯片ISD1730提供时钟信号，ISD1760的Rosc端接80K的电阻到地，即可设置采样频率为8KHz，最大录音时间为60s；系统在实现预警之前，可先使用录音软件录制好所需的.wav格式音源文件，再将音源文件输入电脑的CoolEdit或Goidwave软件进行编辑，然后将所需要播音的内容通过ISD1700S语音编程拷贝机分段录制到语音芯片中（SPI模式进行多片芯片语音信息的拷贝。

系统软件设计
只有软件和硬件的结合才能更好的完成预警功能。前面已经对系统的硬件电路进行了设计，下面介绍一下预警系统功能的软件部分。
在TMS320LF2407A软件设计过程中，采用汇编指令设定硬件相关的寄存器，编写I/O输入输出程序；采用C语言编写行驶安全预警算法程序。TMS320LF2407A车辆山区行驶安全预警软件结构如图5所示，本系统软件设计分为主控模块、A/D转换模块、I/O模块和预警模块4个模块。主控程序模块控制整个软件的运行。A/D模块将传感器采集的模拟信号转换成数字信号；I/O模块控制TMS320LF2407A与外部的数据输入输出；预警模块得到行驶安全程度值和语音提示信号。下面主要介绍下预警流程。

图5 预警系统软件结构图
预警流程
预警系统是当汽车在山区道路行驶时快要发生不安全时进行语音报警。软件结构主要包括系统初始化子程序、SPI初始化程序和中断服务子程序三部分，主程序负责判断是否需要播报语音信息，以及找到该语音信息的存储地址，中断服务子程序负责将接收到的地址放入语音芯片的APC寄存器中进行保存。其实现预警的过程如下。
  
图6 预警流程图
DSP（TMS320LF2407A）A/D接口对采集的信息进行数字化，然后通过预警算法程序得到车辆行驶安全程度值，并给语音芯片ISD1730提供预警信号。预警流程如图6（见下页）。程序开始运行后，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，接着设置SPI端口参数，再配置中断IMR、IFR。在这之后A/D自动转换开始运行，A/D采样得到的车辆运行工况、道路参数和周围环境条件等值经过山区道路车辆行驶安全度预警算法计算得出当时车辆行驶的安全程度值，然后对模型中的安全阈值进行比较判断，根据预警安全程度的不同执行不同的程序。当安全程度较低时，则DSP执行预警子程序进行语音播报预警。

结束语
本文通过对山区道路行驶安全预警系统的软、硬件设计，最终要实现车辆在山区道路上的安全行驶，在危险将要发生的前几秒时间内提醒驾驶员，了解当时的运行状态，以便更好的做出相应的补救措施。这对减少山区道路交通事故，保障人们财产和人身安全都有着重大的现实意义。