基于Cerebot 32MX4 Board的高速公路能見度預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、設(shè)計(jì)摘要：

大氣中包含空氣分子、凝結(jié)核、煙塵、霧以及雪花等降水粒子單元，這些大大小小的粒子包括水或霧等對(duì)陽(yáng)光與天氣的散射是決定大氣透明度最重要的因素。所謂大氣散射是入射的光波遇到大氣里大小不等的粒子，這些粒子將入射光波的一部分“攔截”下來(lái)，使這些光波改變方向并以粒子為核心按一定的規(guī)律向四周發(fā)射出去，其結(jié)果顯然是使原來(lái)入射方向的光強(qiáng)減弱。沿水平方向觀察遠(yuǎn)處目標(biāo)物時(shí)，將受到太陽(yáng)的直射光，天空云層以及地面的漫射光影響，它們被大氣層的氣溶膠粒子散射，使觀察者感到大氣中好象是有一層遮幕，降低了目標(biāo)物和背靜間的對(duì)比，從而減少了觀察者能看見目標(biāo)物的距離。這就使我們能夠觀測(cè)到物體的視距出現(xiàn)了遠(yuǎn)和近的變化，從而形成了能見度。

能見度的概念最早來(lái)源于氣象部門，所以在沒有特殊說(shuō)明的情況下，通常所稱的能見度就是指氣象能見度。能見度通常是視力正常的人在白天無(wú)云的天空背景下能夠辨認(rèn)出一個(gè)視角為0.50~5。的黑色目標(biāo)物體輪廓和形體的最大距離。在夜間則是在黑色背景下能夠辨認(rèn)出一定強(qiáng)度的燈光的最大距離。從上述定義可以知道能見度取決于人眼的生理特性，目標(biāo)物和背景的光學(xué)性質(zhì)，以及人與目標(biāo)物間的大氣的物理性質(zhì)。

在我國(guó)高速公路在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，不斷攀升的高速公路交通事故發(fā)生率和死亡率也給經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、社會(huì)的持續(xù)穩(wěn)定和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了諸多的不利影響。高速公路本以高速、便捷、高容量及高安全性著稱，一般發(fā)達(dá)國(guó)家的高速公路的交通事故總數(shù)和死亡率只有普通公路的1/3到1/2。但在我國(guó)由于高速公路由于發(fā)展較晚，相關(guān)安全和預(yù)警措施不完善等原因，致使我國(guó)高速公路的交通事故的發(fā)生率比普通公路高2到3倍。據(jù)公安部網(wǎng)站消息，2008年，全國(guó)共發(fā)生交通事故265204起，造成73484人死亡、304919人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失10.1億元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有高速公路的交通事故中，因雨霧等惡劣天氣影響造成的交通事故就占1/4左右，霧天高速公路地事故率時(shí)平常地10倍。就是說(shuō)低能見度環(huán)境是造成高速公路交通事故的一個(gè)非常重要的因素。因此，對(duì)高速公路沿線的天氣尤其是能見度情況進(jìn)行全程全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)預(yù)警低能見度特別是隨機(jī)霧團(tuán)、瞬時(shí)雨雪、沙塵等短時(shí)低能見度天氣，對(duì)交通運(yùn)輸有著非常重要的意義。

本系統(tǒng)利用光的折射原理，發(fā)射近紅外光并接收其在環(huán)境中的折射光，對(duì)比前后兩次的光能量的大小來(lái)得出能見度。該設(shè)備結(jié)合近紅外光發(fā)生設(shè)備，多種傳感器，語(yǔ)音及LCD顯示設(shè)備，主要處理控制部分應(yīng)用Microchip公司生產(chǎn)的高性能MIPS核MCU--PIC32MX460F512L開發(fā)板Cerebot 32MX4 Board作為主控板，AD采樣芯片完成數(shù)模信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并運(yùn)用無(wú)線傳輸模塊傳遞數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)系統(tǒng)的控制。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對(duì)當(dāng)前高速公路交通問題的一大改進(jìn)，目的是研究并設(shè)計(jì)一種具有成本較低，適于大規(guī)模生產(chǎn)，有廣闊的市場(chǎng)前景的高速公路能見度預(yù)警系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)原理和創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

系統(tǒng)應(yīng)用Microchip公司提供的80 MHz 32位MIPS處理器，以及豐富的外圍設(shè)備，如：16通道，10位，500ksps A/D變頻器，完成電信號(hào)的分析，濾波，提取等處理工作，得出能見度的大小，并控制語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音提示，驅(qū)動(dòng)LCD進(jìn)行顯示，且將處理結(jié)果通過(guò)無(wú)線模塊傳輸給終端主機(jī)做記錄處理，到達(dá)實(shí)時(shí)能見度檢測(cè)的效果。

整個(gè)設(shè)備主要有近紅外光發(fā)射端、接收端、無(wú)線傳輸模塊、電源模塊、MIPS處理器控制模塊五部分組成，下面分別對(duì)各部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹：

1. 近紅外光發(fā)射端設(shè)計(jì)

為了使近紅外光正常發(fā)射，避免受到霧氣、雨雪對(duì)端口的影響（如：浸濕透鏡，結(jié)冰霜等）需要對(duì)發(fā)射端處進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控，并需安裝加熱裝置對(duì)其進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，去除水汽。在此我們采用單線數(shù)字溫度計(jì)DS18B20來(lái)實(shí)時(shí)采集發(fā)射端口處溫度，降低成本我們采用電阻式加熱器調(diào)控溫度。

DS18B20 單總線數(shù)字溫度計(jì)特性如下：

(1) 可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：3.0~5.5V；

(2) 測(cè)溫范圍：-55~+125℃，在-10~+85℃時(shí)精度為±0.5℃；

(3) 可編程的分辨率為9~12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；

(4) 12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字；

(5) 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)發(fā)熱燒毀，但不能正常工作。

光源的選擇要求有多方面優(yōu)勢(shì)：發(fā)光功率大、使用壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好、光譜分布范圍窄、發(fā)光面積小等特點(diǎn)，綜合各方面的考慮，我們選擇了 GT-P03IR4101 型近紅外發(fā)光二極管作為光源。具體參數(shù)如下：

2. 近紅外光接收端設(shè)計(jì)

接收端主要由光電轉(zhuǎn)換、增益控制、溫度檢測(cè)、A/D采樣等部分組成，為提高系統(tǒng)的抗干擾性消除環(huán)境光的影響，在透鏡之前加上一塊通帶中心波長(zhǎng)與發(fā)射器發(fā)出紅外光中心波長(zhǎng)相同的窄帶紅外濾鏡。各部分暫定設(shè)備如下：

光電轉(zhuǎn)換部分采用常用的 BPW76 型硅光電三極管，其靈敏度高，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。用單芯片光電轉(zhuǎn)換放大器 OPT10對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行放大處理；在最終進(jìn)行AD采樣前，先進(jìn)行硬件濾波，去除系統(tǒng)可能引進(jìn)的50Hz工頻干擾。溫度采集和控制采用跟接收端相同的設(shè)備。

3. 無(wú)線傳輸模塊

該模塊采用上海Digilent公司的PmodRF1無(wú)線電收發(fā)器，它能夠有選擇的在以下區(qū)域內(nèi)進(jìn)行配置操作：北美ISM頻段的902MHz到928MHz、歐洲SRD頻段的863MHz到870MHz或中國(guó)WPAN頻段的779MHz到787MHz。這樣可以確保來(lái)自世界各地的用戶，放心安全的將其應(yīng)用于無(wú)線通信的項(xiàng)目中。 該P(yáng)modRF1集成了Atmel AT86RF212，一個(gè)功耗低、范圍廣的無(wú)線電收發(fā)器。且附帶一個(gè)6英寸12針下載線，一個(gè)6英寸雙6針下載線，一個(gè)12針接口和兩個(gè)6針接口，方便接入。其具有獨(dú)立收發(fā)器在6公里范圍內(nèi)的通信能力，方便將處理好的數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給遠(yuǎn)程終端主機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和控制。

4、電源模塊

為節(jié)約能源，達(dá)到重復(fù)利用，采用鵬輝9V鋰離子電池350mAh 9V鋰充電電池，并用穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3和ASM1117-5.0獲得3.3V和5.0V的電壓，分別給系統(tǒng)中的數(shù)字模塊和模擬電路供電。

5、MIPS處理器控制模塊

此模塊運(yùn)用Cerebot 32MX4 Board開發(fā)板，完成對(duì)接收端信號(hào)的濾波，發(fā)送與接收光能量的計(jì)算。

由于在環(huán)境關(guān)線和白天太陽(yáng)光中都存在強(qiáng)烈的近紅外光，極易淹沒光電管發(fā)射的測(cè)試近紅外光有用信號(hào)，為了從中提取微弱的折射信號(hào)計(jì)算接收的光能量，我們采用雙相位鎖相的方法實(shí)現(xiàn)，其具體原理如下圖所示：

被測(cè)信號(hào) Asin(ωt+θ1)分別和兩個(gè)與有用信號(hào)頻率相同且正交的參考信號(hào)sin(ωt+θ2)、sin(ωt+θ2-π/2)相乘，相乘后的信號(hào)分別通過(guò)兩個(gè)數(shù)字低通濾波器濾出高頻分量，得到兩個(gè)反相的直流分量 Acos(θ1-θ2)/2 、Asin(θ1-2)/2，然后通過(guò)運(yùn)算得到有用信號(hào)的幅度和相位：

幅度A=

相位=

從上式的幅度相位我們便可以得出相對(duì)于發(fā)射端的近紅外光，接收端的紅外光的能量衰減多少，對(duì)比得出能見度的大小。

其中參考信號(hào)由C語(yǔ)言查找表方式產(chǎn)生，低通濾波器（LPF）則采用有限長(zhǎng)數(shù)字濾波器（FIR），亦采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，其濾波參數(shù)可有Matlab設(shè)計(jì)得出。

三、總系統(tǒng)框圖：

本設(shè)計(jì)以Cerebot 32MX4 Board開發(fā)板完成核心算法和系統(tǒng)控制，整體系統(tǒng)框圖如下所示：

以下是系統(tǒng)實(shí)物裝置設(shè)計(jì)圖，綜合考慮此能見度的應(yīng)用環(huán)境因素以及實(shí)際安裝，以滿足高速公路能見度預(yù)警要求。

能見度測(cè)量?jī)x的整體框圖如上圖所示。它主要由發(fā)射端、接收端和信號(hào)控制處理器組成。發(fā)射端和接收端被分別安裝在1m長(zhǎng)的橫梁兩端并保持水平，為了保持散射角為33°、防止太陽(yáng)光的直射以及雨水的侵蝕，安裝時(shí)使發(fā)射端和接收端都與水平橫梁成16.5°角。工作時(shí)，由發(fā)射端發(fā)出一束頻率較低的光脈沖，發(fā)射光經(jīng)過(guò)大氣的散射后，由安裝在散射角為33°方向上的接收端接收，在通過(guò)自動(dòng)增益控制電路將信號(hào)放大到適當(dāng)倍數(shù)，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并有信號(hào)控制處理器通過(guò)相關(guān)檢測(cè)手段在得到的數(shù)字信號(hào)中將散射信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，最后通過(guò)前向散射法能見度測(cè)量的理論公式計(jì)算得到相應(yīng)的氣象能見度。

由于散射信號(hào)先對(duì)入射光強(qiáng)度十分微弱，要準(zhǔn)確測(cè)量散射光的強(qiáng)度就要對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分提出嚴(yán)格的要求：

◆ 發(fā)射端：保證所發(fā)射紅外脈沖強(qiáng)度的穩(wěn)定和脈沖頻率的單一性。

◆接收端：保證自動(dòng)增益電路的穩(wěn)定、快速運(yùn)行，即保證在散射光的強(qiáng)度變化時(shí)快速調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A/D芯片得到的信號(hào)強(qiáng)度始終在一個(gè)合適范圍內(nèi)。

◆信號(hào)控制處理器：保證強(qiáng)噪聲背景下準(zhǔn)確檢測(cè)到散射信號(hào)。

◆透鏡：保證發(fā)射端和接收端的聚光透鏡上沒有結(jié)霜結(jié)冰，保證實(shí)時(shí)檢測(cè)鏡頭污染情況并對(duì)其作出處理。

◆系統(tǒng)：保證系統(tǒng)工作在一個(gè)相當(dāng)恒定的溫度下。

四、軟件流程圖

首先系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行初始化，然后判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)開始進(jìn)行檢測(cè)，沒有開始則繼續(xù)等待，開始則進(jìn)行兩項(xiàng)操作：1、發(fā)射端發(fā)送紅外光，紅外光通過(guò)散射由接收端接收到后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并采集，經(jīng)過(guò)軟件的濾波與算法處理后，將能見度數(shù)據(jù)一方面通過(guò)射頻模塊傳給終端控制臺(tái)，另一方面對(duì)司機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音提示。2、溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，判斷溫度是否低于標(biāo)準(zhǔn)，若低于標(biāo)準(zhǔn)溫度則進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)將溫度顯示在LCD顯示器上，若高于標(biāo)準(zhǔn)溫度則只進(jìn)行顯示。