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基于嵌入式车载安全预警系统硬件和软件的设计方案浅析

随着社会经济的发展,汽车已成为人们工作和生活不可缺少的一种交通工具,给人们生活带来方便的同时交通安全也成为人们日益关注的焦点问题。研究表明驾驶员的违章操作是导致交通事故频发主要原因之一,所以如何有效遏制交通违章、约束驾驶员不良驾驶习惯,提高车辆的运营安全已经成为一个亟待解决的重大课题。而车载电子装置与汽车本身关系不大,其开发条件要求相对较低,并且其适用环境更加广泛,因此车载电子装置的开发正在成为一个新的热点。

1 车载安全预警系统功能

本文中的车载安全预警系统设计基于ARM Cortex—M3内核的STM32系列处理器,融合了蓝牙无线、定位导航、惯性导航、GSM无线通信等多种高科技技术。主要实现功能有:

(1)超时、超速的实时检测:通过GPS对车辆的行驶状态实时跟踪定位,获取行驶的时间和速度信息,判断驾驶员是否超劳,车辆是否超速。

(2)GPS/加速度计组合测速:利用惯性敏感器件加速度计解决GPS使在涵道、山谷内等,出现弱信号或无信号的定位问题,通过自适应卡尔曼滤波数据融合算法获取更精确的定位信息。

(3)车载电话功能:实现蓝牙免提功能,使驾驶员可以专注于驾驶,保证车主在通话过程中的驾驶安全。

(4)行驶状态检测:通过加速度传感器,对行车三维方向上的加速度值进行测量,判断车辆行驶是否超出加速度安全阈值。

(5)远程监控功能:基于无线移动通信技术,实现对车辆的远程动态监控管理,当存在驾驶安全隐患或事故发生时通过无线网络将当前状态消息(位置、速度、加速度、时间)及时上报,以便车辆监管部门采取相应的管理调度或急救措施。

(6)监控报警:当驾驶员超速或疲劳驾驶时通过声光报警及时纠正驾驶者的不规范操作。

2 系统的硬件设计

根据系统设计的功能要求,安全预警系统的整体结构框如图1所示。

基于嵌入式车载安全预警系统硬件和软件的设计方案浅析

2.1 微处理器MCU

设计中选用的主控芯片为STM32增强型系列的STM32F103RE,STM32系列是意法半导体推出的专为高要求、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的Cortex-M3内核的ARM控制器。2.0~3.6 V的工作电压,时钟频率可达到72 MHz,内置512 KB FLASH和64 KB SRAM,带片选的静态存储器控制器,支持CF卡、SRAM、NAND存储器。片上集成有三路16位数模转换器、两路I2C、五路UART和三路SPI端口等,其方便的扩展性及丰富的通信接口非常适用于本系统实现与多个外部功能模块的通信控制。

2.2 定位、测速电路设计

GPS是实现车辆定位及测速功能的核心模块,这里选用的是瑞士u-blox公司生产的LEA-5S型号的GPS模块,其具有22.4 mmx17 mm超小封装,4 Hz定位更新速率,65 mW的低功耗以及-160 dBm的高追踪灵敏度。模块的串口。TTL电平是3 V,与STM32的通信电平一致,因此应用中直接将模块的Pin3 TxD,Pin4 RxD与主控芯片PA3 USART2_RX和PA2 USART2_TX相连。

通信协议遵循NMEA-0183标准,协议的语句格式以“$”开始,以“”结束,主控芯片可以通过串口读取模块上传的数据帧$GP GGA(全球定位信息)和$GPVTG(地面速度信息)语句,从中提取需要的经纬度、航向、速度、时间等信息。

系统设计中选用Analog Device公司生产的型号为ADXL345三轴重力加速度计,主要完成的功能有:辅助测速,因其不受地理位置和周围建筑的影响,运用扩展的Kalman滤波算法,解决GPS在动态环境中信号失锁和周跳问题,保证系统测速功能的实时性;对汽车行驶过程中的加速度检测,通过检测的数据判断车辆是否行驶在安全的加速度阈值内。ADXL345是一款超低功耗,小巧纤薄的3轴加速计,可以对高达±16g的加速度进行高分辨率(13位)测量,车载系统中应用了芯片上的I2C通信接口。

2.3 蓝牙免提模块设计

设计中采用了一款集成度较高的BC05MM-EXT蓝牙模块,其内核芯片是英国CSR公司的BC05 Bluecore芯片,执行标准Bluetooth 2.1+ED R,模块内嵌的通信协议支持HS/HF、A2DP,可实现免提和高质量的音频播放功能,内置噪声消除和回音处理电路。

该模块的外围电路主要包括通信电路、音频输出电路、MIC滤波电路、状态指示电路、按键输入电路。STM32通过串口与蓝牙模块相连,主要完成的任务是与带蓝牙功能的手机之间进行通信;按照模块支持的A2DP协议,音频输出电路调试阶段采用的是100 mW的立体声耳机放大器TS482,匹配32 Ω的扬声器;MIC输入电路主要是对音频信号的滤波处理,采用了差分输入设计提高抗干扰性能,保证免提的音频效果;状态指示和按键输入部分由主控芯片外接发光二级管和独立按键实现。

设计中应用结构简单的倒F天线,可直接在PCB板上按照适用蓝牙系统的倒F天线尺寸在适当的布板位置绘制天线。

2.4 GSM模块设计

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