基于VLC技術(shù)的車輛安全預(yù)警系統(tǒng)

劉定策，茹超超，段錦鵬

（1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，焦作，454100；2.河南理工大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，焦作454100）

長期以來，交通駕駛員之間的溝通方式只是簡單地閃燈或鳴笛，不僅表達(dá)信息量少而且不方便、不安全。

目前，可見光無線通信VLC 技術(shù)在國內(nèi)外的研究領(lǐng)域非常廣，而且投入也在日益增加。國內(nèi)的主流LED 廠商均對可見光技術(shù)開展了相關(guān)研發(fā)，但尚未有一家能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，大部分企業(yè)仍處于試驗(yàn)、評估或者小規(guī)模試產(chǎn)階段。多數(shù)LED 大廠的可見光技術(shù)項(xiàng)目尚處于密切觀望狀態(tài)[1-3]。

根據(jù)全球第二大市場研究機(jī)構(gòu)Markets and Markets 最新研究顯示，可見光通信市場預(yù)計將從2017年13 億美元增長到2022年149.1 億美元，復(fù)合年增長率CAGR（compound annual growth rate）將達(dá)62.9%[4-5]。推動這一增長的主要因素是相比其他競爭技術(shù)，可見光通信技術(shù)具有：更快和更安全的數(shù)據(jù)傳輸；射頻頻譜帶寬緊縮；無帶寬限制，能耗少；更環(huán)保、更清潔、更安全。2014年日本Takaya 研發(fā)汽車間可見光通信系統(tǒng)，速率達(dá)到10 Mb/s，發(fā)射端為LED 陣列，接收端為圖像傳感器[6]。2015年，美國Target 在其店面安裝VLC 定位導(dǎo)航系統(tǒng)；法國家樂福利用飛利浦VLC-LED 燈具在大型賣場啟用室內(nèi)可見光導(dǎo)航系統(tǒng)。國內(nèi)從研發(fā)首套可見光通信系統(tǒng)起步，應(yīng)用轉(zhuǎn)化主要集中在2013—2016年，如2013年的光子支付系統(tǒng)及光子支付解決方案[7-8]。在此將可見光通信技術(shù)用于汽車安全領(lǐng)域，設(shè)計了車輛安全預(yù)警系統(tǒng)，可使司機(jī)之間直接對話交流，方便可靠。

1 總體設(shè)計方案

基于可見光通信技術(shù)的車輛安全預(yù)警系統(tǒng)以DSP 處理器為核心，利用可見光進(jìn)行通信，使用LED 作為信號的發(fā)射源，用強(qiáng)度不同表征信號，并把其加載到LED 發(fā)光器件上，通過LED 燈的明暗閃爍來傳遞所需要的信息。App 音頻輸入后，經(jīng)DSP處理器處理將音頻信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將其加載到LED 燈上實(shí)現(xiàn)信號發(fā)送，指定方向的車輛在收到光信號后，經(jīng)過處理器處理后最終以音頻信號的傳達(dá)發(fā)送方車輛所要傳達(dá)的音頻信息。其總體工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體流程Fig.1 Overall flow chart of the system

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 發(fā)送模塊設(shè)計

LED 可見光無線通信系統(tǒng)發(fā)射模塊主要由LED 驅(qū)動電路、音頻輸入模塊、電源模塊構(gòu)成。LED驅(qū)動電路前級有音頻輸入，主要作為信號源信號輸入接口使用，在此使用手機(jī)App 作為主要的音頻信號源。通過LED 驅(qū)動電路將信號加載到發(fā)光二極管LED 上，通過LED 的閃爍將信號發(fā)送出去。LED 驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 LED 驅(qū)動模塊電路Fig.2 LED driver module circuit

錄音電路選用的芯片采用TI 制造的NE5532運(yùn)算放大器，該芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：性價比高，價格相對比較低廉；保真度高；較高的小信號帶寬；電源電壓范圍大[9]。

2.2 電源模塊設(shè)計

由于LED 車燈的工作電壓為12 V，而驅(qū)動NE5532 只需+5 V 電壓配合反壓芯片即可，因此電源設(shè)計時需將+12 V 轉(zhuǎn)換成+5 V。在元件選取上，選用ams1117-5.0 芯片進(jìn)行12 V 轉(zhuǎn)+5 V 電路的設(shè)計。ams1117-5.0 芯片輸出電壓穩(wěn)定，體積小，誤差值不超過±1.3 V，可以用于將12 V 電壓轉(zhuǎn)成5 V 電壓。12 V 轉(zhuǎn)5 V 電源電路如圖3所示。

圖3 12 V 轉(zhuǎn)5 V 電源電路Fig.3 12 V to 5 V power supply circuit

在此采用LM2596 芯片進(jìn)行5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電路的設(shè)計。LM2596 開關(guān)穩(wěn)壓芯片，輸出電壓穩(wěn)定，體積小，可以穩(wěn)定地用于該電壓轉(zhuǎn)換。5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電路如圖4所示，主要由LM2596 芯片及相關(guān)電容組合而成。其中，輸入5 V 電壓接LM2596 的腳1，電容C19、C20、C21實(shí)現(xiàn)濾波功能；D4為發(fā)光二極管，用于提示通電狀態(tài)；LM2596 的腳2 輸出3.3 V 電壓，電容C22、C23、C24起濾波作用。

圖4 5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電路Fig.4 5 V to 3.3 V circuit

2.3 接收模塊電路設(shè)計

該系統(tǒng)接收模塊部分的硬件主要由光電檢測模塊、信號處理模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。

在光電檢測模塊中，使用光電檢測器來獲取帶有數(shù)據(jù)信息的可見光信號，通過光電轉(zhuǎn)換的方法把數(shù)據(jù)信息的光信號轉(zhuǎn)換成帶有數(shù)據(jù)信息的模擬電信號，采用運(yùn)算放大器對電信號進(jìn)行放大，放大后的電信號經(jīng)過信號處理模塊，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換功能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，完成轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號立即通過McBSP 送至處理器F28335 中進(jìn)行處理。光電檢測模塊電路如圖5所示。

2.4 信號處理模塊設(shè)計

光信號通過光電檢測器由光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)過前置放大模塊的放大，由微弱信號變成較強(qiáng)的信號。但是這些信號均為模擬信號，要將其輸入到處理器F28335 中進(jìn)行處理，就必須把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

設(shè)計中采用TLV320AIC23 作為音頻信號處理的芯片。AIC23 是TI 公司推出的一款高性能立體聲音頻芯片，內(nèi)置耳機(jī)或者揚(yáng)聲器輸出放大器，可以為外界提供2 種輸入方式MIC 和LINEIN，使用時這2 種方式不可同時啟用，在輸入和輸出2 個方向上都具有可編程增益調(diào)節(jié)功能。AIC23 的內(nèi)部運(yùn)用特殊技術(shù)高密度集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADCs）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DACs）部件。該芯片具有非常低的能耗，在同類產(chǎn)品中屬于佼佼者，錄放模式下功率僅為23 mW，工作電壓為單電源3.3 V[11-13]。TLV320AIC23 外圍連接電路如圖6所示。

圖5 光電檢測模塊電路Fig.5 Photoelectric detection module circuit

圖6 TLV320AIC23 外圍連接電路Fig.6 Peripheral connection circuit of TLV320AIC23

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

通信雙方一方面等待自己方面音頻信號輸入，一方面準(zhǔn)備輸出對方發(fā)來的信號。通過McBSP 方式F28335 的發(fā)送時鐘信號口（MCLKXA）和AIC23 的接口時鐘信號BCLK 相連，系統(tǒng)時鐘由F28335 提供；F28335 的發(fā)送串行數(shù)據(jù)口（MDXA）和接收串行數(shù)據(jù)口（MDRA） 分別與AIC23 的數(shù)據(jù)輸入口DIN和數(shù)據(jù)輸出口DOUT 相連；F28335 的發(fā)送幀同步口（MFSXA）和接收幀同步口（MFSRA）分別于AIC23的數(shù)字音頻DAC 幀信號接口（LRCIN）和數(shù)字音頻ADC 幀信號（LRCOUT）相連。系統(tǒng)的整體程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)的整體程序流程Fig.7 Flow chart of whole system program

4 性能測試與評估分析

在信號接收模塊中，通過PD 接收光信號，將其送入音頻信號處理模塊AIC23 中，先進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后的信號傳至F28335 進(jìn)行相應(yīng)處理，隨后送回AIC23 進(jìn)行DA 轉(zhuǎn)換，并在最后送至揚(yáng)聲器或者耳機(jī)進(jìn)行放音處理。這一段信號處理部分效果的好壞直接影響輸出聲音的質(zhì)量。為此，對裝置中該部分的性能進(jìn)行測試，即對輸入、輸出該部分的信號波形進(jìn)行比對。輸入、輸出音頻信號波形如圖8所示。

圖8 輸入、輸出音頻信號波形Fig.8 Input and output audio signal waveform

由圖可見，經(jīng)由AIC23 接收的信號與由F28335處理后經(jīng)由AIC23 輸出的波形一致。對比結(jié)果表明該通訊裝置傳輸音頻時具有較高的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

針對目前傳統(tǒng)的汽車駕駛員之間交流不便，容易造成交通事故的現(xiàn)狀，設(shè)計了基于可見光通信技術(shù)的車輛安全預(yù)警系統(tǒng)。該裝置豐富了傳統(tǒng)的“汽車燈語”，通過建立可見光通信模型使汽車司機(jī)在超車、轉(zhuǎn)彎、會車、變道等多種情況下及時交流避免交通事故發(fā)生，同時在發(fā)生擁堵及緊急車輛需要讓行時可以通過車輛間接力式傳遞方式，實(shí)現(xiàn)指定方向遠(yuǎn)距離交流，緩解擁堵現(xiàn)象，營造文明的交通氛圍。試驗(yàn)表明，它幾乎不受天氣影響，可大大提高傳輸效率，保證駕駛員間互動的有效性，在極端天氣下由于現(xiàn)代LED 車燈的穿透性較強(qiáng)，所以對于駕駛員間互動影響較小。其次，LED 光源發(fā)出的光線較為集中，可以有效避免光通路以外的外界干擾，且可見光無線通信無電磁干擾影響，對無線電頻率不產(chǎn)生重疊，適用于各種環(huán)境。該系統(tǒng)操作簡單方便，實(shí)用性強(qiáng)，具有很高的市場推廣價值。