基于DSP的车载测距安全预警系统研究

仇建华，王建勇

（1.西安航空学院 车辆与医电工程系 陕西 西安 710077；2.上海通用东岳汽车有限责任公司 山东 烟台 264000）

近年来，我国高速公路现正以高速发展，高速公路运输以其方便、快捷的优点对社会、经济生活中发挥着重要的作用，然而，高速公路运输在带来高效、快捷、方便的同时，也给人民的生命财产造成了严重损害[1]。据统计，在过去几年中，我国高速公路交通事故百公里发生率约为普通公路的4倍，且重大、恶性交通事故时有发生，汽车追尾事故约占我国高速公路交通事故的 1/3左右，已成为近几年我国高速公路交通事故的主要形式之一[2]。对高速公路汽车追尾事故形成原因的分析表明，事故的产生原因主要为行驶车辆间的间距小于安全距离[3]。

为了从根本上解决上述公路客运车辆运行中存在的安全隐患问题，本文设计和实现了一种基于DSP的车载测距安全预警系统，该系统充分利用DSP高速数字图像处理技术，能够实时判别、警示客运车辆驾驶员跟车距离过近、容易导致追尾碰撞事故的危险性驾驶行为。

1 系统总体设计及工作原理

基于DSP的车载测距安全预警系统的结构组成如图1所示。它主要由激光雷达传感器、TLC5510数据A/D转换模块、TMS320DM643数字信号处理 DSP、MC9S12XS128单片机、LCD液晶显示器、声光预警模块等组成。数据信息采集处理系统采用基于TMS320DM643内核的北京合众达公司生产的SEED-DEC643高速数字信号处理DSP，同时为了节省DSP的内部资源，采用飞思卡尔公司生产的MC9S12XS128单片机实现对车辆行驶状态参数的采集及声光警示[2]。

图1 硬件结构图Fig.1 The figure of the hardware structure

系统的工作原理：在汽车启动以后系统开始上电工作，从Flash加载程序并进行系统初始化，主要完成芯片初始化、外围硬件配置等工作，为数据信号输入及处理做好准备。初始化工作完成后，激光雷达实时测量行驶车辆间距，经过高速A/D转换器转换后变成数字量，存在信息处理芯片内部存储器内；与此同时，测速传感器模块将车速信号记录下来，通过高速A/D转换器转换后变成数字量，输入到信息处理芯片，经过特定算法计算实时得到的汽车运行安全车距。某一时刻，当一场道路环境信息采集完后，CPLD发出中断唤醒信号通知DSP，DSP收到中断后；将SRAM里的数据从片外读入其片内数据空间，并进行数据处理，计算出该时刻的跟驰车距并与事先设定的安全车距进行比较。如果跟驰车距小于安全值，则发出命令由语音系统发出语音警报，同时显示行驶车辆间距，提醒驾驶员注意控制车速，保持安全车距，如果跟驰车距大于安全值，则继续读入下一轮检测重新计算。

2 系统的硬件设计

2.1 激光雷达传感器

激光雷达传感器用来采集车辆前方的道路环境信息，是系统的关键部件之一，为了满足系统工作可靠性的需求，激光雷达传感器选用型号HDL-64E S2的高精度激光雷达传感器，使用了64束激光光束、905 nm波长、可以实现360°旋转、角分辨率高达 0.09°、180 M point/s的数据采集，50～120 m采集距离。它安装在客运车辆前部牌照上方位置，通过对半导体激光器进行脉冲或编码调制，利用激光镜头使脉冲状的红外激光束向前方照射，由光学天线发射的激光束遇到前面的障碍物或车辆后，产生向后散射信号，被光学天线接收，通过受光装置检测其距离[4]。

如图2所示为激光雷达传感器的搜索工作模式，根据中华人民共和国道路交通安全法实施条例第八十条规定的内容，机动车在高速公路上行驶；车速超过100 km/h时，应当与同车道前车保持100 m以上的距离，车速低于100 km/h时，与同车道前车距离可以适当缩短，但最小距离不得少于50 m。依据上述要求并结合客运车辆的实际运行情况，设置中央激光束的检测距离为100 m，这样就能够及时的检测出的前方运动车辆，适时辨识危险状态并发出警报[5]。

2.2 数据A/D转换模块

数据转换模块采用高速的A/D转换器，其型号为TLC5510，其采用CMOS工艺制造，8位、20 MSPS模拟量变数字量的转换器 （ADC），它采用半闪速结构 （semi-flash architecture）。单5 V工作电源且功耗只有100 mW（典型值）的功率。内含采样和保持电路，具有高阻抗方式的并行接口和内部基准电阻。

2.3 数据信号处理系统

图2 激光雷达传感器的搜索工作模式Fig.2 The search work mode of laser radar sensor

SEED-DEC643是以高性能的32 bit定点DSP（TMS320DM643）为主控芯片的DSP系统，主频高达600 MHz，处理性能可达 4800MIPS，SDSRAM：4M×64 位，Flash：4M×8位，完全满足运算的需求。芯片上集成了一个多通道音频串行接口（McASP）外设，具有8根串行数据线，由软件配置输入和输出，具有很强的可编程能力，可以配置为多种同步串口标准，可以和音频ADC、DAC，Codec，数字音频接口接收器DIR和S/PDIF传输物理层器件实现无缝连接，直接与各种器件高速接口。2个RS232/RS422/RS485异步串行通信接口，这两个串口之间可以通过编程进行相互切换；RTC实时时钟能够为数据的采集与处理提供时间信息；8个数字信号输入及输出接口，可以轻松实现云台的控制或环境的监测和控制[6]。

2.4 车辆行驶状态参数的采集与处理系统

霍尔式车速传感器的信号为脉冲信号，客运车辆工作状况异常复杂，车速信号在采集和传输过程中极易受到环境的影响，因此本文采用光电隔离电路进行滤波处理，处理后的高低电平车速信号再经过电压比较器LM311整形，整理为标准的脉冲矩形波形，抑制噪声干扰，车速信号采集处理电路如图3所示。

图3 车速信号采集处理电路Fig.3 The circuit of speed signal collection and processing

MC9S12XS128的PA0口接受处理后的车速脉冲信号，实时计算出车速数据。MC9S12XS128中的计数器每隔一个采样周期记录传感器信号的脉冲数，车速计算公式为：

式中，N位计数器记录的脉冲数；l为车轮的周长；p为从动轮每转一圈传感器输出的脉冲数；T为采样周期[7]。

2.5 声光预警系统

声光报警电路设计如图7所示，通过MC9S12XS128的PB0、PB1、PB2口分别控制红、黄、绿 3个发光二极管，利用PP0口输出PWM方波，调整占空比来控制蜂鸣器的报警声音。系统采用分级式报警策略，即若两车处于相对安全状态，绿色发光二极管亮，系统不报警；若两车处于相对危险状态，黄色发光二极管亮，蜂鸣器发出长音，系统报警；若两车处于异常危险状态，红色发光二极管亮，蜂鸣器急促音预警[8]。

图4 声光预警电路Fig.4 The circuit of sound-light alarm

3 系统的软件设计

系统软件设计流程图如图5所示，系统初始化完成后，设置好相应的标示位，开始数据采集，解调出相对距离和方位信息，不断输出的距离和方位信息经中央处理器分析，监测前方运动车辆的行驶状态，实时解算自车与前车之间的相对速度和相对距离，判断这些相对运动参数是否达到设定的临界值，决定本车的最安全行驶速度，当有可能发生事故时，系统触动报警装置，发出声光警报。

激光雷达的测距公式如下：

式中，c为激光光速；fa为正向调制过程中，发射信号与接收信号的差额；fb为负向调制过程中，发射信号与接收信号的差额；ω为调制波的重复频率；Δωm为最大调制频率。

前方车辆与自车之间相对速度的测量公式如下：

式中，f0为发射波中心频率[9]。

结合前方车辆与自车之间的相对速度，相对减速度，和自车的行驶车速以及自车驾驶员的制动操作信息，前方车辆与自车之间的相对安全距离的计算公式如下：

式中，Ssafe为两车不致相撞的最短距离，即临界安全距离；Vh为自车车速；Vf为前车车速；ah为自车减速度；af为前车减速度。

4 实验及结果分析

系统在南京依维柯试验车上安装调试，选择高速公路及城市道路等结构化道路上进行了验证性实验，对系统的可靠性进行了测试。实验结果表明，基于DSP的车载测距安全预警系统运行稳定，能够实时对驾驶员跟车距离过近的危险驾驶行为进行判别，通过声光报警对驾驶员进行警示，预防交通事故的发生，系统判别准确率达95%以上，虚警率低，完全满足了设计要求，达到了预期目的。

图5 系统软件设计流程图Fig.5 The flow chart of system software design

5 结束语

文中以嵌入式DSP为硬件开发平台，设计了一种基于DSP的嵌入式车载测距安全预警系统的实现方案，当车辆距离过近时，系统发出警报提醒驾驶员注意保持车距.系统工作稳定性高，虚警率低，采用声光结合的分级式报警，避免了频繁急促报警使驾驶员长期处于紧张状态，价格成本低。客运车辆上装备该系统，可以对公路客运车辆驾驶人的驾驶行为进行有效监管和规范，进一步提高公路客运车辆的主动安全性能，加强相关交通管理部门的监察力度，有着广泛的应用前景和市场需求，具有重要的社会经济意义。

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