常用車載距離探測技術介紹及裝甲車輛防撞預警系統設計

作者：時間：2012-08-11 來源：網絡

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　　近年來，裝甲車輛在日常訓練過程中，惡性事故時有發(fā)生，給部隊的人員生命及裝備安全帶來極大的損失。裝甲車輛在行駛中通常采用閉倉駕駛，駕駛員視線受到影響，而部隊訓練又經常在丘陵地域，路況十分不好，特別是北方部隊，訓練時經常伴有大量的灰塵，這就大大增加了車輛事故的發(fā)生概率。造成裝甲車輛碰撞的原因十分復雜，既有裝甲車輛自身的因素，也有人為的因素，還有道路、氣象等環(huán)境因素，總而言之，人、車、環(huán)境是影響車輛行駛安全性能的三大因素，這三者組成了相互制約的系統工程。

　　為了解決裝甲車輛訓練安全問題，本文提出開發(fā)研究一種能實時獲取車輛位置信息并及時提醒駕駛員或者系統自動采取措施以避免出現危險情況的裝甲車輛防撞預警系統，該系統的研究開發(fā)具有極大的現實意義和廣闊的應用前景。

常用車載距離探測技術簡介

　　目前，距離傳感器主要分為三類：聲學類——超聲波；光學類——無源紅外線、激光雷達及視頻成像系統；電磁類——連續(xù)波雷達/單脈沖雷達及電容式傳感器等。每一種距離探測技術都有其適用的場合。

　　（1）超聲波傳感器

　　超聲波是頻率在20KHz以上，人耳感覺不到的聲波。與可聞聲相比，它的特點是頻率高，波長短，在傳播中具有良好的束射性、穿透性和方向性。超聲波距離傳感器一般采用獨立的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器由高頻信號（40KHz~80KHz）來激勵。測量發(fā)射一個超聲波脈沖至接收到反射信號所用的時間間隔，可以簡單地估計出被測物體的距離。

　　其主要優(yōu)點是成本較低、尺寸較?。恢饕秉c是有些目標物（如土壤和草木）的反射信號很弱而無法探測。另一個缺點是聲波在空氣中的傳播時間隨溫度變化，因此，超聲波傳感器用于溫度范圍較大的場合時，必須進行溫度補償。故超聲波傳感器一般應用在較短距離測量上，最佳距離為4米到5米。

　　（2）無源紅外線式傳感器

　　無源紅外線式傳感器是基于測量傳感器附近物體所發(fā)射的熱能來實現測距的。與超聲波距離傳感器相同，無源紅外線傳感器的主要優(yōu)點是成本低且尺寸小；主要缺點是響應時間過長，使駕駛員得到的提前報警常常不足以躲避碰撞，這就限制了其在車輛碰撞報警系統中的應用。

　?。?）激光雷達傳感器

　　由于光束一般很集中，激光雷達主要用于大范圍直線距離的測量。激光雷達量程大、方向性強且響應時間快，但成本高、易受外界環(huán)境（如能見度低、傳感器表面有泥土）的影響。同時，激光能量必須在人眼安全水平范圍之內。

　?。?）連續(xù)波雷達傳感器

　　連續(xù)波雷達采用頻率調制的高頻電磁載波（一般為微波頻率或者更高、通常為鋸齒形信號）。比較反射信號與發(fā)射信號，可得到與被測距離成比例的頻率差。利用返回信號的多普勒偏轉還能確定被測物體的相對速度。

　　連續(xù)波雷達的突出優(yōu)點是能穿透泥土和飛濺物“看到”物體；并且窄波束和寬波束均可以使用，因而能夠把波束寬度調制得適于特殊用途。其主要缺點是微波和毫米波頻段的電磁裝置成本相對較高。另外，用電子學方法對相對窄的、探測距離大的波束進行掃描能得到更大的測程和波束寬度，但復雜度和成本隨之增加。

防撞預警系統的基本功能及工作原理

　　根據野戰(zhàn)條件下裝甲車輛預防碰撞的需要，系統應具備以下功能：

　?。?）定位并顯示附近車輛。應能定位出附近車輛位置，并在顯示器中顯示出來。

　?。?）當兩車距離小于安全距離時報警。應能精確測得兩車間的距離，當兩車距離小于安全距離（5m）時，發(fā)出警報提醒駕駛員。

　　系統的工作原理：系統采用GPS系統對車輛進行定位，通過無線模塊接收周圍車輛位置并向外發(fā)送本車位置。在顯示屏上顯示周圍車輛，并計算兩車的距離，當兩車距離小于15m時，使用距離傳感器進行精確測距，當距離小于5m時發(fā)出警報。對比常用車載距離探測技術中各傳感器的性能，由于距離傳感器測距不需要太遠，結合成本及體積等方面的考慮，選擇超聲波傳感器作為本系統中的近距離測距器。

　　超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。

　　超聲測距從原理上可分為共振式和脈沖反射式兩種。由于應用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計時。根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離（S），即S=C×t/2，式中，C為超聲波音速，由于超聲波也是聲波，故C即為音速。

　　聲速與現場溫度的經驗公式：C＝331.5＋0.607T。只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t以及現場溫度T，就可以精確計算出從發(fā)射點到障礙物的距離。

　　可以看出超聲波測距系統的主要部分有：

　?。?）供應電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；

　?。?）使接收和發(fā)射隔離的開關部分；

　　（3）轉換電能為聲能，且將聲能透射到介質中的發(fā)射傳感器；

　　（4）接收反射聲能（回波）和轉換聲能為電信號的接收傳感器；

　?。?）接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設備；

　?。?）記錄/控制設備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時間，存儲所要求的數據，并將時間間隔轉換成距離。

　　在超聲波測量系統中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，因此具有很高的抗干擾性能。

　　距離測量系統常用頻率范圍為25KHz~300KHz的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時共用一個，有時分開使用。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負責向傳感器輸出一個有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開強大的發(fā)射信號；記錄/控制部分啟動或關閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時及接收的瞬時，并將時差換算成距離讀數并加以顯示或記錄。

系統的總體結構

　　設計本系統的主要目的是定位并顯示附近車輛位置，測量車距，危險時發(fā)出警報。

　　根據實際的功能需求，將系統的整體設計分成探測系統和數據處理系統兩個部分，其基本原理如圖1所示。其中，探測系統主要包括GPS模塊、超聲波測距模塊、無線模塊、電源模塊、主控電路和通信接口；數據處理系統主要包括顯示模塊、報警模塊、電源模塊和主控電路。

　　傳感器、GPS和無線模塊的選擇

　?。?）超聲波傳感器的選擇

　　超聲波傳感器采用美國SensComp公司的Sens600系列智能超聲波傳感器，Sens600是基于超靈敏測距模塊6500的增強型靜電傳感器系列，集發(fā)送、接收于一體，新的電壓控制電路使傳感器可工作在6V～24V 直流電源下，測量范圍0.15m～10.7m，可外部觸發(fā)或內部觸發(fā)，封裝較小，終端引腳連接方便。由于超聲波傳感器接收到回波信號時，輸出高電平，因此需在回波輸出端連接反相器至單片機外部中斷口，以便即時響應。另外，在超聲波傳感器開口端面增加喇叭狀套筒設計，以限制和減少偏離發(fā)射軸中心較大的發(fā)射波和接收波，在一定程度上增強了抗干擾能力。

　?。?）溫度傳感器的選擇

　　目前存在的溫度傳感器主要分為兩種類型，即數字溫度傳感器和模擬式溫度傳感器。
數字溫度傳感器測量溫度是將溫度值直接轉化為數字值輸出。數字溫度傳感器具有以下的優(yōu)點：①具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；②抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；③信號易于處理、傳送和自動控制；④便于動態(tài)及多路測量，讀數直觀；⑤安裝方便，維護簡單，工作可靠性高。

　　結合各種因素考慮，本文選用Dallas半導體公司推出的單線式數字溫度傳感器DS18B20。

　?。?）GPS的選擇

　　智能天線模塊包含完整的GPS接收機，帶內置天線在快速系統集成應用中，使其具有完全獨立的GPS功能，基于這種充分設計的GPS子系統，集成只需要最短的開發(fā)時間、最低的開發(fā)成本以及最小的開發(fā)風險。對GPS智能天線模塊的選擇主要考慮：①特性（如節(jié)能模式和支持SBAS）；②易用性（特別是易配置性）；③定量指標（可測參數），如準確度、啟動性能、跟蹤靈敏度和功耗；④定性指標，包括由外場測試獲得的可預期定位結果。結合各種因素考慮，本文選用Starlight的ZG-P1121U模塊。

　?。?）無線模塊的選擇

　　無線模塊的選擇主要考慮以下因素：①傳輸距離，無線模塊的傳輸距離必須要滿足裝甲車輛野戰(zhàn)條件的需要；②抗干擾性，要具備抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力；③可操作性，要有可編程信道以滿足用戶多種通信組合方式；④經濟性，性價比要高；⑤安全便利，安裝、維護、更換要方便快捷，小體積、重量輕等。

　　結合各種因素考慮，本文選用深圳市泰達鑫通信技術有限公司推出的TDX-2000無線數傳模塊。

探測系統的設計

　　探測系統是指系統中負責數據探測和傳送的部分，基本任務為接收數據處理系統的命令，利用GPS和超聲波傳感器定位和測距，通過無線模塊接收周圍車輛位置并向外發(fā)送本車位置，并將探測到的數據通過通信接口傳送給數據處理系統。探測系統的結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

探測系統的電路設計

　　探測系統電路設計主要包括超聲波模塊電路設計和通信接口電路設計。GPS模塊和無線模塊都是通過RS-232串口通信與單片機連接進行數據傳輸。

超聲波測距模塊電路設計

　?。?）超聲波發(fā)射電路設計

　　超聲波發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路圖

　　（2）超聲波接收電路設計

　　超聲波接收電路如圖3所示。

圖3 超聲波接收電路圖

溫度測量電路設計

　　溫度的測量是利用數字溫度傳感器DS18B20，將采集到的溫度數據通過主芯片MSP430F149的P54引腳傳送給主芯片。

　　DS18B20的電路連接可以有兩種方式：一種是使用寄生電源，另一種是使用外接電源。使用寄生電源方式時，進行溫度轉換或拷貝到E2存儲器操作時，給I/O線提供一個強上拉。用MOSFET把I/O線直接拉到電源上就可以實現。在發(fā)出任何涉及拷貝到E2存儲器或啟動溫度轉換的協議之后，必須在最多10μs之內把I/O線轉換到強上拉。使用寄生電源方式時，VDD引腳必須接地。

　　使用外接電源時，引腳VDD連接V+5，這樣做的好處是I/O線上不需要加強上拉，而且總線控制器不用在溫度轉換期間總保持高電平。這樣在轉換期間可以允許在單線總線上進行其他數據往來。當加上外部電源時，GND引腳不能懸空。

　　根據系統的需要和實際情況，在這里采用寄生電源，主芯片的P54腳用于DS18B20的數據輸入/輸出引腳。具體電路如圖4所示。

圖4 溫度測量電路圖

通信接口電路設計

　　通信接口擔負GPS模塊和無線模塊與主芯片數據交換及探測系統與數據處理系統數據交換的任務。

　　串行通訊只需較少的端口就可以實現單片機和外圍設備的互通，具有無可比擬的優(yōu)勢。串行通訊有兩種方式：異步模式和同步模式。MSP430系列都有USART模塊來實現串行通信。在本設計中，MSP430F149的USART0模塊通過RS-232串口與外圍的串行設備通信。

　　本系統采用專用電平轉換芯片MAX3232來實現通信（見圖5）。MAX3232芯片是MAXIM公司生產的電平轉換芯片，包含兩路接收器和驅動器IC芯片，內部有一個電源轉換器，可以把輸入的+5V電壓變換成為RS-232輸出電平所需要的-10V~+10V電壓。

圖5 通信接口電路原理圖

數據處理系統的設計

　　數據處理系統負責對探測系統采集的數據進行顯示和計算，具體的任務有：①控制數據采集系統的工作狀態(tài)；②接收并顯示采集到周圍車輛的位置信息；③當兩車距離小于安全距離時發(fā)出警報。

　　數據處理系統主要是由主控電路、鍵盤、液晶顯示屏、蜂鳴報警電路和通信接口組成，系統的結構如圖1所示。

液晶顯示電路的設計

　　液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅動、易于實現全彩色顯示的特點，目前已經被廣泛應用在便攜式電腦、數字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點陣式等。

　　點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個點組成，屏上64×l6個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應，每一字節(jié)的內容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。
根據系統的需要和實際情況，在這里采用點陣圖形式液晶顯示，主芯片的P30腳用于數據輸入/輸出引腳。具體電路如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路圖

報警電路的設計

　　在裝甲車輛行駛途中遇有情況時，駕駛員需要得到聲音報警提示，但是考慮到聲音報警時間較短，采取聲音提示可能來不及，所以系統報警方式設計為聲音報警同時有燈光閃爍預警。發(fā)光報警模塊由單片機控制的發(fā)光8位二極管來實現。由蜂鳴器發(fā)出聲音報警的信號，本文報警單元的設計根據不同危險程度采用聲、光結合的報警方式，更符合部隊訓練的要求。

　　聲音報警使用蜂鳴器，通過I/O端口輸出脈沖控制，改變脈沖的頻率和作用時間來進行不同種類的提示或者報警。為了提高驅動能力，讓蜂鳴器產生一定強度的聲音，采用了對稱的晶體管驅動，其電路如圖7所示。