基于DSP的車輛碰撞聲檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

1 硬件設(shè)計(jì)

我們設(shè)計(jì)的碰撞檢測(cè)裝置的原理框圖如圖1所示，首先采用聲音傳感器采集各種聲音信號(hào)，傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，傳入聲音采集芯片的模擬信號(hào)輸入端。聲音采集芯片將模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，送到DSP模塊做進(jìn)一步處理。DSP模塊實(shí)時(shí)地處理所采集到的聲音信息，判斷是否有車輛碰撞事故發(fā)生。存儲(chǔ)器模塊和DSP模塊相連，用于儲(chǔ)存需要處理的數(shù)據(jù)和固化的代碼數(shù)據(jù)，并為DSP模塊運(yùn)算時(shí)提供臨時(shí)存儲(chǔ)空間。報(bào)警模塊和通訊模塊與外部救援中心相通訊，一旦DSP模塊檢測(cè)到車輛發(fā)生碰撞事故，報(bào)警模塊就向外發(fā)送報(bào)警信息。下面分別介紹主要模塊功能。

1.1 聲音采集模塊

聲音采集模塊使用電容式聲音傳感器，采樣頻率為30Hz~18kHz,由于車輛噪聲信號(hào)的頻率一般不會(huì)超過10kHz,所以該聲音傳感器可很好的實(shí)現(xiàn)采樣。聲音傳感器將采集到的模擬信號(hào)送入放大電路放大后傳送到聲音采集芯片。

聲音采集芯片采用TLV320AIC23B(簡(jiǎn)稱AIC23)，它是TI公司的一款高性能立體聲音頻編解碼器芯片，具有48kHz帶寬，可以滿足包括噪聲信號(hào)在內(nèi)的聲音信號(hào)的采集要求。AIC23對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行雙聲道立體聲A/D轉(zhuǎn)換，可以在8kHz-96kHz的采樣率下提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)將外部聲信號(hào)以32kHz采樣頻率采集，每秒采集32000個(gè)聲音數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度設(shè)為16bit,這樣A/D轉(zhuǎn)換之后模擬信號(hào)變成了16位的數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)之后，AIC23將數(shù)據(jù)傳輸給DSP模塊，供DSP模塊作下一步處理。

本系統(tǒng)將AIC23的MODE引腳設(shè)置為O,控制接口設(shè)置為I2C的工作方式，AIC23與DSP模塊的數(shù)據(jù)傳輸接口使用的是DSP模式。這樣DSP模塊就可以控制AIC23協(xié)同工作，并接收AIC23采集到的數(shù)據(jù)。

1.2 DSP模塊

DSP模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，完成音頻信號(hào)的采集、控制、存儲(chǔ)、處理以及與外界通訊等功能。選用的是TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320V-C5509(簡(jiǎn)稱VC5509)，它是一款性價(jià)比極高的16位定點(diǎn)DSP,具有多個(gè)高性能運(yùn)算單元，系統(tǒng)時(shí)鐘為144MHz,指令運(yùn)算速度高達(dá)1OOMMACS,而且提供豐富的片上擴(kuò)展接口。

VC5509有兩個(gè)多通道緩沖串行口(McBSP)，McBSP具有與標(biāo)準(zhǔn)串行接口相同的基本功能，并在標(biāo)準(zhǔn)串行接口的基礎(chǔ)之上對(duì)功能進(jìn)行了擴(kuò)展。本系統(tǒng)使用的語(yǔ)音采集芯片AIC23就通過McBSP和DSP相連接，其連接示意圖如圖2所示。其中CLKX為發(fā)送時(shí)鐘，CLKR為接收時(shí)鐘，它們都和AIC23的系統(tǒng)時(shí)鐘BCLK相連。FSX和FSR實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收的幀同步，對(duì)應(yīng)AIC23的LRCIN和LRCOUT引腳。數(shù)據(jù)發(fā)送引腳DX和數(shù)據(jù)接收引腳DR分別與AIC23的DIN和DOUT相連，完成串行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收操作。

VC5509還包含6個(gè)可編程的DMA通路，DMA控制器可以無(wú)需CPU介入而在內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器和芯片上外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)操作完成之后，DMA控制器可向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。該系統(tǒng)使用了一個(gè)DMA通道0,從數(shù)據(jù)采集模塊讀入數(shù)據(jù)并寫入外部存儲(chǔ)器的特定位置。當(dāng)數(shù)據(jù)采集滿了之后，DMA控制器將產(chǎn)生中斷，控制DSP執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序。DMA的使用減少了系統(tǒng)中斷次數(shù)，明顯提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

對(duì)于聲音采集模塊采集到的聲音數(shù)據(jù)，由DSP模塊運(yùn)行檢測(cè)軟件對(duì)其進(jìn)行分析，并判斷外部是否發(fā)生了碰撞。DSP模塊還引出一個(gè)IO口與報(bào)警和通訊模塊相通訊，報(bào)警和通訊模塊接收此引腳的信號(hào)來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞以決定是否報(bào)警。

1.3 存儲(chǔ)器模塊

VC5509支持統(tǒng)一的編址空間，片上內(nèi)存的總?cè)萘繛?20kB,包括128k×16bit的RAM和32k×16bit的ROM,并可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展到最大為8M×16bit的片外內(nèi)存空間。本系統(tǒng)選用的是HY57V64芯片，是一個(gè)有4個(gè)1M×16bit邏輯陣列的SDRAM芯片。該芯片接收并存儲(chǔ)DSP模塊傳輸過來(lái)的聲信號(hào)數(shù)據(jù)，當(dāng)DSP模塊需要處理數(shù)據(jù)時(shí)也會(huì)從該芯片的特定位置讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

1.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊配有GPS和GSM模塊，獲取位置和速度信息并與服務(wù)器進(jìn)行通訊。DSP模塊從報(bào)警模塊的GPS模塊獲得車輛的速度和加速度信息并加入聲信號(hào)信息進(jìn)行輔助計(jì)算。報(bào)警模塊從DSP模塊獲得實(shí)時(shí)的車輛碰撞信息，一旦檢測(cè)到碰撞信號(hào)，報(bào)警模塊即向服務(wù)器報(bào)警。

2 軟件和算法設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件是一個(gè)運(yùn)行于DSP之上的程序，控制系統(tǒng)各模塊工作，并完成算法計(jì)算。使用TI公司的CCS集成開發(fā)環(huán)境，用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。

該軟件首先進(jìn)行初始化，對(duì)VC5509和AIC23的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置。對(duì)VC5509芯片的鎖相環(huán)配置時(shí)，將系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為144kHz.對(duì)McBSP進(jìn)行配置時(shí)，打開VC5509的McBSP0并啟動(dòng)其進(jìn)行輸入輸出操作。配置DMA0通道，使其工作于兼容模式并在中斷時(shí)停止數(shù)據(jù)的傳輸。配置AIC23的工作模式為DSP模式并使用IIC方式傳輸數(shù)據(jù)。啟動(dòng)AIC23對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行32k采樣速率的采樣。

初始化結(jié)束后進(jìn)行采樣檢測(cè)，經(jīng)過采樣檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)采集到的信號(hào)滿足分幀條件，即采集到的聲信號(hào)長(zhǎng)度足夠1秒時(shí)，就執(zhí)行自動(dòng)聲檢測(cè)算法。

自動(dòng)聲檢測(cè)算法讀出數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，如果檢測(cè)到的是非碰撞事件，則繼續(xù)執(zhí)行采樣檢測(cè)以等待處理下一秒數(shù)據(jù)，這時(shí)軟件在執(zhí)行空循環(huán);當(dāng)自動(dòng)聲檢測(cè)算法檢測(cè)到的是碰撞事件，就向通訊模塊傳遞信息，在GPS模塊確認(rèn)速度和位置信息之后就通過報(bào)警模塊報(bào)警。此軟件的流程如圖3所示。

軟件流程圖中自動(dòng)聲檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)是核心部分，下面做重點(diǎn)介紹。由于不同聲波信號(hào)的幅頻特性和相頻特性不同，不同聲波信號(hào)在各個(gè)頻率段的幅值也存在一定的差異。因此，可利用各個(gè)頻率成分的能量變化來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。

自動(dòng)聲檢測(cè)算法包括聲音信號(hào)采集和分幀、特征提取、特征降維、特征分類四部分，

其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：