一種基于聲信號(hào)的車輛碰撞檢測(cè)裝置研究與設(shè)計(jì)

0 引言

　　交通事故傷害已日益成為威脅人類生命安全的一種世界性公害。及時(shí)發(fā)現(xiàn)交通事故的發(fā)生并報(bào)警，可有效地減少交通事故的傷亡率。

　　現(xiàn)階段，減少交通事故傷害主要通過使用交通事故檢測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)，主要分為基于磁頻信號(hào)、基于波譜信號(hào)和基于視頻信號(hào)的車輛檢測(cè)裝置。各種檢測(cè)裝置采用包括攝像頭、超聲波或微波等來檢測(cè)交通事件，主要是處理宏觀的交通流信息，這種間接的檢測(cè)技術(shù)存在識(shí)別率不高、延遲時(shí)間長的缺點(diǎn)，使得交通事故發(fā)生后難以得到及時(shí)有效的救助。

　　由于交通事故發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的碰撞聲，而碰撞聲和其它聲音的頻譜不一樣，通過采集并分析車輛周圍的聲信號(hào)來檢測(cè)車輛事故，可以實(shí)時(shí)獲得事故現(xiàn)場(chǎng)信息并報(bào)警，因此在即時(shí)性上比交通流分析方法好，而且在事故的識(shí)別成功率上也可相對(duì)提高。Yunlong Zhang提出了利用小波變換分析車輛聲音的方法來檢測(cè)車輛事故，得到了很好的識(shí)別效果。吉林大學(xué)的陳強(qiáng)等人利用該方法分析車輛噪聲并分類，可以區(qū)分出各類不同車輛的碰撞信息。但以上算法的設(shè)計(jì)都是基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析，沒有在該理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出實(shí)際的硬件裝置，而且在算法的準(zhǔn)確性上也有待進(jìn)一步改進(jìn)。因此設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的車輛碰撞聲檢測(cè)硬件裝置具有很高的實(shí)用價(jià)值。

　　本文采用小波分析和模式識(shí)別方法分析車輛噪聲信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的車輛碰撞聲檢測(cè)裝置，該裝置能有效檢測(cè)車輛碰撞事件，實(shí)現(xiàn)交通事故的自動(dòng)識(shí)別。相對(duì)于已有交通事故檢測(cè)裝置具有識(shí)別率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格較低。

1 硬件設(shè)計(jì)

　　我們?cè)O(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。