應(yīng)用STM32的車(chē)載呼救終端設(shè)計(jì)

肖 文，史雪林，江 洪，陸穎

(江蘇大學(xué) a.計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院;b.機(jī)械工程學(xué)院;c.汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

車(chē)輛緊急呼救終端系統(tǒng)［1］可以在車(chē)輛發(fā)生事故后將碰撞時(shí)的車(chē)速、地理位置、駕駛員信息等相關(guān)信息進(jìn)行整合，并送至呼救中心，便于救援人員及時(shí)了解事故車(chē)輛信息，展開(kāi)救援。在車(chē)輛意外拋錨時(shí)，駕駛員亦可通過(guò)該終端發(fā)出求援信息，因此，車(chē)輛緊急呼救終端系統(tǒng)對(duì)于行車(chē)安全具有重要意義。在車(chē)輛緊急呼救終端系統(tǒng)中的關(guān)鍵是事故檢測(cè)識(shí)別技術(shù)，即通過(guò)檢測(cè)車(chē)輛發(fā)生事故時(shí)的視頻、噪音、碰撞等事故特征信號(hào)以判斷車(chē)輛事故是否發(fā)生［2－3］。國(guó)外開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)是通過(guò)安全氣囊系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)或者用人工按鈕來(lái)(實(shí)現(xiàn)觸發(fā)，并報(bào)告車(chē)輛位置、車(chē)主身份及車(chē)輛碰撞速度等信息［4－6］。但由于碰撞角度、碰撞力等原因，在發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，由于安全氣囊未能彈出，導(dǎo)致車(chē)輛緊急呼叫系統(tǒng)未能自動(dòng)觸發(fā)的情況時(shí)有發(fā)生［7－8］。本研究提出以加速度信號(hào)作為事故特征信號(hào)的車(chē)載呼救系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該終端系統(tǒng)的可行性。

1 車(chē)載終端工作原理及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)載呼救系統(tǒng)終端通過(guò)加速度傳感器實(shí)時(shí)采集車(chē)輛加速度信息，控制系統(tǒng)對(duì)采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、計(jì)算與存儲(chǔ)［9］，并通過(guò)觸發(fā)算法判斷計(jì)算值是否超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，由此檢測(cè)事故的發(fā)生，并決定是否向呼救中心發(fā)送信息。

如圖1所示，車(chē)載呼救終端的傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后輸入至后級(jí)控制器，通過(guò)降壓、濾波與A/D轉(zhuǎn)換等處理將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成車(chē)載終端控制器可以處理的數(shù)字信號(hào)，便于控制系統(tǒng)采樣?？刂葡到y(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理等［10］。

車(chē)載呼救終端分為事故檢測(cè)模塊和呼救模塊。事故檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)采集車(chē)輛加速度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、圖像信息及車(chē)身內(nèi)部數(shù)據(jù)信息。如圖2所示，事故檢測(cè)模塊主要由加速度傳感器、嵌入式微處理器、射頻模塊、攝像頭、CAN總線(xiàn)通信接口及SD卡模塊組成。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作框圖

圖2 事故檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

呼救模塊主要負(fù)責(zé)接收事故檢測(cè)模塊發(fā)送的車(chē)輛碰撞數(shù)據(jù)信息，根據(jù)需求提取車(chē)輛位置信息，將信息整理、編碼后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至呼救中心，或者通過(guò)手動(dòng)按鈕發(fā)送求助信息，同時(shí)駕駛員亦可通過(guò)麥克風(fēng)等設(shè)備與救助中心進(jìn)行語(yǔ)音通訊，便于救助中心了解詳情。如圖3所示，呼救模塊主要由嵌入式微處理器、射頻模塊、定位模塊、通信模塊等單元組成。

圖3 呼救模塊結(jié)構(gòu)示意圖

事故檢測(cè)模塊采集車(chē)輛加速度信息，經(jīng)過(guò)處理器處理后，如果檢測(cè)到事故的發(fā)生，則通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻模塊將車(chē)輛加速度、速度、圖像等信息發(fā)送到呼救模塊，呼救模塊再整合車(chē)輛位置、圖像、駕駛員等相關(guān)信息，將其編碼，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊將呼救信息發(fā)送到呼救中心。呼救中心則利用相關(guān)信息迅速定位事故地點(diǎn)，同時(shí)亦可與車(chē)內(nèi)乘員進(jìn)行語(yǔ)音通話(huà)，了解乘員傷害程度，預(yù)測(cè)事故嚴(yán)重程度，并準(zhǔn)備救援。

2 車(chē)載終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F107VC片上資源

終端控制芯片選用ST公司的低功耗32位處理器 STM32F107VCT作為核心芯片［11］。該芯片集成了各種高性能的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，且其不同型號(hào)產(chǎn)品在引腳和軟件上具有兼容性，便于多種應(yīng)用。該芯片含有10個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12位D/A(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、2個(gè)IIC接口、5個(gè)USART接口和3個(gè)SPI接口及高質(zhì)量數(shù)字音頻接口IIS等。此外，STM32F107芯片還擁有全速USB(OTG)接口、兩路CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊和2個(gè)12位A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)通道，可進(jìn)行單次或連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至1 μs。同時(shí)芯片具有豐富的存儲(chǔ)資源——256kB Flash及 64kB RAM，無(wú)需外接存儲(chǔ)設(shè)備即可滿(mǎn)足多種行業(yè)的應(yīng)用要求［12］。

2.2 加速度采集模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端選用SILICON DESIGNS公司的2210單軸加速度計(jì)作為加速度傳感器。該傳感器能夠?qū)㈦娫措妷鹤兓斐傻挠绊懽钚』哂袑?duì)溫度變化和熱梯度不敏感等特性，通過(guò)A/D接口與STM32F107芯片連接，其電路如圖4所示。AOP為加速度傳感器輸出接口，經(jīng) R9、R10、C19構(gòu)成的分壓濾波電路處理后，通過(guò)MCP6042輸出端VA輸入到STM32 AD通道，輸出信號(hào)電壓范圍為0～3 V。

2.3 CAN通訊模塊設(shè)計(jì)

為了便于采集車(chē)輛內(nèi)部相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)CAN通訊總線(xiàn)接口接入車(chē)輛內(nèi)部數(shù)據(jù)入口，如圖5所示。接口通過(guò)CAN總線(xiàn)收發(fā)芯片vp230與STM32微處理器的CAN引腳PA11、PA12連接，實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)傳輸功能。用跳線(xiàn)在CANH于CANL之間外接終端電阻，消除信號(hào)反射，并通過(guò)瞬態(tài)穩(wěn)壓二極管D9、D10實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)。利用電容C29、C30及共模扼流圈L2抑制噪聲信號(hào)，同時(shí)提高了EMI能力。

圖4 加速度傳感器電路

圖5 CAN模塊電路

2.4 GPS模塊設(shè)計(jì)

GPS模塊選用U－Blox公司的NEO－6M芯片作為核心芯片，經(jīng)匹配電阻R10、R11通過(guò)串口與STM32F107芯片連接，其串口引腳為T(mén)TL電平?？芍苯优cSTM32F107芯片連接，用于接收車(chē)輛位置、時(shí)間等信息，電路原理如圖6所示。電源輸入引腳并聯(lián)大電容C9，使輸入電壓更加穩(wěn)定。

圖6 GPS電路原理

2.5 GPRS 模塊設(shè)計(jì)

GPRS模塊選用SIMCOM公司的sim900a芯片作為GPRS模塊的核心芯片，經(jīng)過(guò)匹配電阻R15、R16通過(guò)串口與STM32F107芯片連接，其串口引腳同樣為T(mén)TL電平，用于與呼救中心之間信息傳輸，其電路原理如圖7所示。選用8引腳卡座Sim carrier進(jìn)行設(shè)計(jì)［13］，卡座電源由 SIM900a芯片直接提供。為減少信號(hào)紋波，降低干擾，提高SIM卡部分的穩(wěn)定性，在SIM卡復(fù)位、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳中分別旁路ESD管器件。

圖7 GPRS電路原理

3 車(chē)載終端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在keil環(huán)境下運(yùn)行，使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)及編寫(xiě)各接口、外設(shè)的初始化驅(qū)動(dòng)程序以及呼救觸發(fā)算法。

1)系統(tǒng)程序初始化設(shè)計(jì)。包括時(shí)鐘、定時(shí)器的初始化設(shè)置，輸入輸出接口及串口初始化設(shè)計(jì)，以及數(shù)據(jù)處理及發(fā)送程序的設(shè)計(jì)。

2)觸發(fā)算法設(shè)計(jì)。系統(tǒng)終端采取兩種觸發(fā)方式:手動(dòng)觸發(fā)和自動(dòng)觸發(fā)。當(dāng)事故輕微或車(chē)輛意外拋錨需要救助時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)求助。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，終端自動(dòng)觸發(fā)呼救任務(wù)。終端事故檢測(cè)模塊使用移動(dòng)窗式積分法作為碰撞事故的檢測(cè)算法，首先確定一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度t作為窗口寬度，當(dāng)窗寬在加速度曲線(xiàn)上移動(dòng)時(shí)，求出窗寬內(nèi)加速度曲線(xiàn)的積分值，將該值與預(yù)設(shè)的閾值對(duì)比，判斷是否發(fā)生事故。

3)接口數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。微處理器通過(guò)A/D接口讀取并處理加速度信息。通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)射頻模塊信息的接受與處理，并將信息存儲(chǔ)于SD卡中。通過(guò)相應(yīng)的串口讀取并處理攝像頭模塊的圖像信息。

4)GPS地理位置信息解碼任務(wù)。當(dāng)接收到串口發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析、處理，將信息以特定的格式輸出，提取出需要的信息，因GPS模塊主要獲取地理位置、時(shí)間、車(chē)速等信息，故選用“$GPRMC”格式語(yǔ)句［14－15］。

5)GPRS任務(wù)。呼救信息發(fā)送通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。微處理器通過(guò)AT指令調(diào)用相關(guān)函數(shù)喚醒GPRS任務(wù)，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)并編碼，接入Internet網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至呼救中心。

6)語(yǔ)音通信處理任務(wù)。GPRS模塊外接有揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，便于呼救中心與駕駛員進(jìn)行語(yǔ)音通訊，以便進(jìn)一步了解詳情。

系統(tǒng)終端任務(wù)流程如圖8所示。

圖8 終端任務(wù)流程

4 性能實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

事故檢測(cè)模塊的準(zhǔn)確性與可靠性是系統(tǒng)終端實(shí)現(xiàn)其工作的前提。選用某型車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)道路加速度采集實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用事故檢測(cè)模塊與采集儀同時(shí)采集特殊工況下車(chē)輛加速度數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證事故檢測(cè)模塊處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性。同時(shí)給事故檢測(cè)模塊一個(gè)假定的觸發(fā)閾值作為判斷事故發(fā)生的條件。傳感器安裝位置如圖9所示，基座固定于副駕駛左側(cè)座椅下方滑槽處，通過(guò)調(diào)整其安裝方向?qū)崿F(xiàn)不同方向的數(shù)據(jù)采集，分別進(jìn)行急加速、過(guò)減速坎、制動(dòng)等工況下的實(shí)驗(yàn)。圖10為各工況下事故檢測(cè)模塊與采集儀采集的加速度曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種工況下事故檢測(cè)模塊均未檢測(cè)到事故發(fā)生。根據(jù)圖10可知，事故檢測(cè)模塊采集的曲線(xiàn)與采集儀所采集的曲線(xiàn)基本吻合，但該模塊仍存在一定的誤差，可通過(guò)算法或硬件進(jìn)一步消除干擾，提高該模塊采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性。

圖9 傳感器安裝位置

圖10 加速度曲線(xiàn)對(duì)比

4.2 呼救模塊模擬實(shí)驗(yàn)

如圖11所示，連接好事故檢測(cè)模塊與呼救模塊相應(yīng)接口，分別將其靜止放在平行桌面。事故檢測(cè)模塊預(yù)先設(shè)定一個(gè)較小的加速度閾值a，在沿加速度傳感器x方向施加一個(gè)力f。當(dāng)該力產(chǎn)生的加速度值超過(guò)閾值a時(shí)，事故檢測(cè)模塊檢測(cè)到?jīng)_擊，并將測(cè)得的加速度信息發(fā)送至呼救模塊。呼救模塊提取GPS地理位置、時(shí)間等信息后顯示在LCD屏上，如圖12所示，并自動(dòng)將信息發(fā)送至接收端。當(dāng)力f產(chǎn)生的加速度值小于閾值a時(shí)，呼救模塊不發(fā)送呼救信息。

圖11 車(chē)載終端實(shí)物

圖12 呼救模塊LCD屏顯示的信息

5 結(jié)束語(yǔ)

將呼救終端分為事故檢測(cè)模塊與呼救模塊兩個(gè)模塊，可根據(jù)其具有的功能將其分別安裝在車(chē)內(nèi)合適位置，在一定程度上減少了呼救終端的體積，使其安裝更加方便。

實(shí)現(xiàn)了事故檢測(cè)模塊與呼救模塊之間數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，同時(shí)因?yàn)榻K端具有豐富的外設(shè)接口，可進(jìn)一步豐富終端的功能。

通過(guò)加速度采集實(shí)驗(yàn)及模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了事故檢測(cè)模塊和呼救模塊的可靠性。該終端可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛加速度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理，以及檢測(cè)事故的發(fā)生，便于上位機(jī)將呼救信息及時(shí)發(fā)送到救援中心。

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