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摘 要 ：车辆安全预警自动控制系统对保障车辆的安全具有至关重要的作用。本文以保障车辆安全为核心,在分析系统功 能需求的基础上,设计了系统总体方案,并对路边设备单元、安全自动控制单元、底板系统其他电路、车载处理单元进行电路 板设计。基于此,本文选择 STM32F103 和 STC12C2052AD 单片机作为控制器,在设计环境、程序总体设计框图、关键通信 协议方面,设计系统软件。
关键词 ：车辆安全,预警自动控制系统,系统设计
Design of Automatic Control System for Vehicle Safety Early Warning
ZHANG Yaowen
(Jiangsu Xuzhou Higher Vocational School of Economics & Trading, Xuzhou Jiangsu 221000)
【Abstract】：The automatic control system for vehicle safety warning plays an important role in ensuring the safety of vehicles. Based on the analysis of the functional requirement of the system, the overall design scheme of the system is designed, and the circuit boards of the roadside equipment unit, the safety automatic control unit, other circuits of the backplane system, and the on-board processing unit are designed. Based on this, this article selects STM32F103 and STC12C2052AD microcontrollers as controllers, and designs system software in terms of design environment, overall program design diagram, and key communication protocols.
【Key words】：vehicle safety;early warning untomatic control system;system design
引言
车辆的安全行驶不但可提升汽车的使用寿命,还可 保证驾乘人员的生命安全,智能化的车辆安全预警自动 控制系统可确保车辆在行进途中平安、顺畅的驾驶,打 造高质量的驾乘感,全面保障生命财产的安全 [1]。因 此,本文分析了车辆安全驾驶过程中,对预警和自动控 制系统需求,设计了具体实施方案,并进行电路板、系 统软件设计,旨在对车辆安全预警自动控制系统的研究 与开发予以借鉴和参考。
1 系统功能需求分析
本文所研究的车辆安全预警自动控制系统(以下简 称系统)是指汽车在行进过程中,可时刻对车内车外的 信息收集与分析,从而决定车辆的行进或停止等状态的 综合管理系统。当对车内外的信息统一收集、汇总,并 进行科学的分析时,通过系统独特的方式告知驾驶员, 比如语音、声光等。若汽车在行进过程中出现紧急情况,系统可通过对情况紧急程度的分析,对车辆采取强 制其降速或停车等手段,来保证车辆及驾驶员的安全。
基于上述内容,对本系统在功能上提出了具体要 求 ：(1)收集车辆在行驶过程中的相关参数。如,速 度、载重、主要部件温度等 ;(2)探查即将通行路段的 信息。如,道路的等级、弯道、坡道等 ;(3)获取所在 区域或即将到达区域的环境情况。如,温度、湿度、雨 雪量等 ;(4)安全预警提示功能。如,语音、蜂鸣、屏 幕显示等 ;(5)在不同车辆与道路间进行信息传递 ;(6) 可控制车辆减速或停车 ;(7)对收集的数据和信息进 行高速运算,第一时间检测出车辆运行中存在的安全隐 患。实现高速运算,根据理论模型判断危险状态 [2]。
2 系统总体设计方案
系统共有以下几个模块组成,每个模块都具有不同的功能。
(1)路边单元。该单元主要负责采集和存储道路数据信息,通过无线模块传输数据。主要采集道路环境信 息,如温度、温度等。车载处理单元。该单元在系统 中担负的任务最为艰巨,负责数据采集(速度、载重、 重要部件温度等)、报警提示(语音、蜂鸣、屏幕显示 等)、信息通讯(无线接收数据、串口发送指令、GPS 定位与通信等)等内容。(3)安全自动控制单元。该单 元需按指令完成对车辆减速及制动的任务。当遇到紧急 情况时,系统通过串口传信该单元,根据接收到的减速 或制动任务,控制车辆节气门和制动踏板等,并通过传 感器检测相关任务的执行情况。(4)车载系统的总体连 接方案。这一方案对系统中的模块进行了明确的划分, 并在相互间建立健康的连接。为提高系统的性能,运用 模块设计方案,对车载单元在硬件连接上采用了集散式 系统的设计方案。它最大的特点是综合信息处理和分布 控制各司其职,内容由模块本身完成,过程中的信息和 数据的传递通过单、双通信接口完成。这种设计方案有 两个特点 ：一个是简化了系统运行流程 ;另一个是在系 统的运行中,可实时与各模块建立联系,做到了模块中 软、硬件的独立性。
3 系统电路板设计
3.1 路边设备单元电路板设计
3.1.1 电源系统设计
单片机中最小的系统通常情况下是晶振电路、复位 电路和微控制器。目前可查到的信息中保留复位电路并 且不用电容, 电阻接地的情况只有晶振频率在 12MHz 以下时才可以。本系统设计中所选择的为 12MHz 外部 晶振。在设计最小系统时,由于资源足够所以在 LED 提示电路上增加了电阻和发光二极管。设计中,通过观 察 LED 的闪烁情况,来判断系统是否运行。
3.1.2 单片机 STC12C2052AD 最小系统
通常情况下,微控制器、复位电路和晶振电路是单 片机中最小的系统。根据相关资料显示,当晶振频率在 12MHz 以下时,可以不用电容,电阻接地,建议保留复 位电路。本系统设计中所选择的为 12MHz 外部晶振 [3]。 由于资源足够, 设计最小系统时, 在 LED 提示电路上 增加了电阻和发光二极管。设计中, 通过观察 LED 的 闪烁情况,来判断系统是否运行。
3.1.3 路边单元外设电路和接口
(1)温湿度传感器接口电路。路边设备通过 DHT11 传感器采集温湿度信息,其外部接口为四针单排插针, 数据引脚直接至单片机,同时,在数据引脚增设一个上 拉电阻可增强数据传输的稳定性。在电源和引脚间增加 一个电容,可去耦滤波。(2)无线发射模块 NRF24L01 接口电路。成品的无线模块可帮助路边设备实现数据稳定的传输,这期间,无需对模块内部的结构进行深 入了解,只需利用单片机的控制模块引导数据的发送 和接收。其输出端口由控制引脚和电源引脚组成。(3) EEROM 数据存储芯片 AT24C02 电路。AT24C02 作为 EEROM 的器件,可有效解决掉电数据保存的问题 [4]。 EEROM 数据存储芯片与单片机之间通过两条数据线进 行连接。其端口的 3 个引脚确定芯片地址,本系统的设 计中,将 3 个引脚接地。
3.2 安全自动控制单元电路板设计
3.2.1 电源系统设计
电机驱动控制系统需要为设计提升电源,具体包括 核心控制板、超高速光电耦合器件电路和电机驱动芯片 等。设计中,为了保证电源的供应,通过稳压芯片供应 电源,分别输出 3.3V 和 5V 的电压,同时每个芯片还 可输出 3A 的电流,同时,设置两个发光二极管,可分 别检测电源的工作状态。
3.2.2 单片机 STM32F103C8T6 核心板
在本系统设计中,因控制器的物理特性,结合系统现 有条件,在控制器中设计独立的核心板。由于芯片中引脚 数量非常多,而且密集,如果将单片机与其他元件设计在 同一块电路板上,会给焊接带来极大的难度,稍有失误就 会前功尽弃。所以,单独设计控制器的核心板,即使在操 作过程中出现问题也不会影响其他器件与电路正常工作。 车载处理单元采用同样的原理,设计单独电路板。
3.2.3 底板系统的 VNH3SP30TR-E 电路
本系统设计中,使用的是 VNH3SP30TR-E 型号的 芯片,芯片设计需要 5 个控制信号,分别是 INA、INB、 ENA、ENB 和 PWM。设置单独的电源输入接口为其 供电,该芯片运行所需要的电源与电机一致。
3.3 底板系统其他电路设计
(1)光电耦合隔离电路。单片机控制信号通过引脚 输出。本系统在设计时,采用了超高速光耦 A2630.采 用两 VNH3SP30 芯片 10 路控制信号, 因 A2630 是双 通道的,所以 5 个芯片电路可完成设计。(2)角度位 移传感器接口。角度位移传感器的功能与滑动变阻器相 似, 需要 3.3V 电源, 其电压输出信号在 3.3V 以内变 化,输入到内部的 AD 模块中。(3)CAN 接口。本系 统设计虽没有使用 CAN 通信及其相关的硬件,但是设 计中仍在驱动底板上预留了 CAN 通信接口,以备扩展 应用 [5]。CAN 通信的接口应用 TJA1050 芯片, 同时在 接口处串接 120Ω 的终端电阻,以降低回波的干扰。
3.4 车载处理单元电路板设计
3.4.1 电源系统设计
在车载信息处理系统中,有很多的 3.3V、5V 和 4V的电路系统,甚至还有需要 12V 电压的器件。所以需 要设计不同功率的电源为这些元器件和模块供电才能保 障系统工作。设计 MP23034V 的电源系统可保证系统 中对 4V 电压的需求,同时, 还要对每个电源处增加发 光二极管,以检查电源工作情况。
3.4.2 车辆运行状态参数检测电路接口设计
(1)加速度模块电路接口。本系统设计中,采集 加速度信号选择的是 ADXL345 成品模块。设计中控制 模块的方式为 IIC 协议方式,具体芯片地址已在模块焊 接予以确定。(2)载荷检测传感器信号处理和接口电 路。安装直线位移传感器可检测汽车的载荷,单片机对 传感器输入的电压进行 AD 转换,后计算相应的值。对 电压信号增加电压跟随器可稳定微小信号。本系统设 计将四路电压信号分别加装了电压跟随器,保证其在 0~3.3V 范围内工作 [6.7]。(3)速度信号采集电路。加装 磁珠的驱动轴高速旋转,通过霍尔传感器输出脉冲波 形。本系统中设计的霍尔传感器为 12V 电压。需要利 用 HCPL2630 高速光耦才能将脉冲信号的幅值转化为 3.3V(通过限流电阻后再次输入,不会损坏高速光耦), 否则其输出的信号幅值无法匹配 3.3V 单片机。
3.4.3 报警提示电路和接口设计
WT588D 是语音模块中的成品模块, 有多种控制 模式。本系统设计采用了功耗低、反应快的三线串口控 制模式。三线串口需控制器提供对芯片的 CS、DATA 和 CLK 分别进行控制的三根引脚线路,其协议根据厂 商的时序图确定。
3.4.4 定位模块 GPS 和 GPRS 系统电路及接口
GPS 定位信号接收采用 SIM900A 成品模块,模块 需要 3.3V 电源,通过 LVTTL 串口进行数据传输。模 块中有 TCP/IP 协议, 通过相应的接口可实现多种功 能,包括语音通话、GPRS 流量的传输等,同时还可实 现短信和传真的收发功能。车载系统端同样采用成品电 路模块 NRF24L01.其无线数据接收方式与路边设备相 同。不同的是,该模块通过 STM32 的硬件,在 SPI 口 实现通信和操作,其速度和功能都更强,连接单片机 SPI2 接口上使用 [8]。
4 系统软件设计
4.1 设计环境
在电路设计中, 将 STM32F103 和 STC12C2052AD 单片机作为控制器,采用集成开发环境作为程序设计工具。
4.2 程序总体设计
预警控制系统需在不同子系统的相互协调下开展工 作。通电后系统开始工作,采集路边环境参数,通过无线模块传输读取车载信息处理单元。同时,车载单元采 集一系列汽车运行的参数,当系统发现车辆存在安全隐 患时,通过蜂鸣器和语音系统发出警示,当危险信号达 到相应参数值时,通过串口向安全自动控制单元发出指 令,控制电机运转节气门或制动力,同时采集相应的信 号,直至达到合理值。
4.3 关键通信协议
本系统设计中,通过单片机时序模拟方式实现通信, 具体协议包括 SPI、IIC、DHT11 等。IIC 通信协议中, 信 号传送 ：SDA 从 H 变为 L,开始传输 ;信号结束 ：SDA 由 L 变为 H,结束传输 ;答应信号 ：IC 接收 8 位数据后,将 低电作为信号, 反馈给控制器, 表示接收成功 ;DHT11 的数据格式设置为 8 位,其检验方式是判断数据格式是 否为 byte0.
5.结语
综上所述,车辆安全预警自动控制系统的研发可保 护车辆中各部件始终保持良好运行态势,同样对驾乘人 员的生命安全给予全方位的保障。本文以确保车辆健康 运行为核心,综合分析相关系统功能,设计了总体方 案,并对路边设备单元、安全自动控制单元、底板系统 其他电路、车载处理单元进行电路板设计。因此,需要 研发人员结合实际,对设计环境、程序总体设计框图、 关键通信协议方面进行完善,确保车辆安全预警自动控 制系统更加智能化、人性化。
参考文献
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[8] 范稷源.基于暗通道算法的雾天车辆行驶安全预警研究[J]. 中国新通信,2019.21(3):155-156.
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