電動汽車警示音系統(tǒng)

作者 / Andreas Pellkofer ADI公司

摘要：傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛即使低速行駛也會發(fā)出發(fā)動機聲音。通常，當(dāng)車輛不在視線范圍內(nèi)時，行人和其他交通參與者通過視覺識別和對輪胎聲音及傳出的其他噪音的聽覺識別來判斷車輛的接近或離開。電動車輛(EV)則不會發(fā)出發(fā)動機聲音。低速行駛時，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(ICE)啟動之前，混合動力電動車(HEV)或插電式混合動力電動車(PHEV)幾乎是無聲無息地移動。當(dāng)速度低于19 英里/時，這些車輛發(fā)出的聲響難以聽到。在更高速度下，輪胎聲音則成為主要聲響。

0 引言

　　全球管理機構(gòu)正在研究立法，尋求為電力驅(qū)動模式下的PEV和HEV制定最低限度的聲音水平，以便視障人士、行人和騎車人能聽到這些車輛駛近，并確定這些車輛從哪個方向駛來。美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)網(wǎng)站上可以找到這種立法的例子。電動汽車警示音系統(tǒng)(EVWSS)產(chǎn)生一系列旨在提醒行人有EV、HEV和PHEV存在的聲音。司機可以觸發(fā)警示音(類似于汽車?yán)鹊穆曇?，但不那么急?。但在低速時，聲音必須能自動響起。聲音有很多，從人造信號音到模仿發(fā)動機噪音和輪胎經(jīng)過礫石的真實聲音。

　　ADI公司提供兩種不同解決方案，包括用于EV的車內(nèi)發(fā)動機聲音模擬以及外部發(fā)動機聲音產(chǎn)生。高端應(yīng)用方案基于ADSP-BF706開發(fā)。對于入門級應(yīng)用，則基于ADAU1450 SigmaDSP?。這些解決方案可以合成聲音并根據(jù)行駛速度調(diào)整頻率、音量和其他參數(shù)，而且可以將音頻發(fā)送到音頻功率放大器。根據(jù)具體立法的要求，警示音可以利用內(nèi)燃機聲音或任何其他合成信號音來模擬。

1 基于Blackfin的解決方案

　　ADSP-BF706 Blackfin?處理器為音頻處理和CAN總線接口提供單芯片解決方案。ADI公司開發(fā)了在ADSP-BF706上運行的CAN軟件協(xié)議棧，使得用戶能以極少的工作量構(gòu)建汽車級演示(也可以使用Vector公司CAN協(xié)議棧)。此外，ADI公司提供完整的硬件和軟件參考設(shè)計，以及用于實時參數(shù)調(diào)試的SigmaStudio?開發(fā)環(huán)境。圖1顯示了ADSP-BF706內(nèi)部的不同算法模塊。外部波形音頻文件(WAV)存儲特征發(fā)動機聲音或音頻信號音。從SPI接口最多可以同時訪問25個WAV文件。這些文件先在數(shù)字信號處理器(DSP)內(nèi)部進(jìn)行頻移和混頻，然后添加動態(tài)音量控制。

　　ADSP-BF706采用存儲器映射SPI接口，通過它可以更快速、更簡便地訪問外部存儲器，無需為此應(yīng)用外配DDR存儲器。從SPI閃存最多可以同時訪問25個WAV文件?？稍L問的WAV文件個數(shù)有助于創(chuàng)造更逼真的發(fā)動機聲音。ADSP-BF706還能實現(xiàn)高達(dá)16倍的音調(diào)調(diào)整，這是美國(US) NHTSA提出的一項建議，即隨著車速的增加而提高輸出聲音的頻率。根據(jù)CAN總線送來的車速數(shù)據(jù)，ADSP-BF706可以動態(tài)控制音量。圖2顯示了系統(tǒng)詳細(xì)框圖。Power By Linear? LT8602四通道單片同步降壓型穩(wěn)壓器從12 V汽車電池電源產(chǎn)生系統(tǒng)中所需的全部供電電壓。2 MHz開關(guān)頻率讓用戶可以避開關(guān)鍵的噪聲敏感頻段，例如AM頻段。LT8602的3 V至42 V輸入電壓范圍使該器件成為汽車應(yīng)用的理想選擇，因為汽車應(yīng)用必須承受冷啟動和啟停場景，最低輸入電壓低至3 V，電源切斷瞬變超過40 V。

　　圖3顯示了另一個系統(tǒng)框圖，其中減少了外設(shè)和連接器，一個通過汽車認(rèn)證的連接器包含了所有相關(guān)信號。該方案允許設(shè)計更小尺寸的電路板。

　　由于ADSP-BF706同時充當(dāng)了微控制器和音頻處理器，因此該系統(tǒng)解決方案可降低系統(tǒng)物料(BOM)成本。針對ADSP-BF706 BLACKFIN+處理器的EVWSS軟件架構(gòu)，EVWSS軟件架構(gòu)基于ADSP-BF706硬件架構(gòu)。處理器依賴硬件架構(gòu)的原因在于存儲器映射SPI。利用存儲器映射SPI，ADSP-BF706可以直接讀取閃存。此特性降低了EVWSS庫的復(fù)雜性，使得用于生成警示音的內(nèi)存訪問效率更高。

2 軟件組件

　　EVWSS軟件架構(gòu)由圖4所示的組件構(gòu)成。

　　SPORT回調(diào)特性映射到音頻數(shù)據(jù)采樣速率，并在SPORT收發(fā)器中斷服務(wù)例程(ISR)上下文中運行，讀取閃存文件(SPI存儲器映射)，利用EVWSS庫執(zhí)行音頻處理，并通過SPORT收發(fā)器接口送出處理過的音頻。EVWSS庫存有合成警示音的不同函數(shù)。EVWSS庫還接收來自CAN協(xié)議棧的車速輸入(或由 UART接口進(jìn)行調(diào)試)。TDA7803驅(qū)動器通過控制外部功率放大器來生成警示音。EVWSS應(yīng)用程序框架配置系統(tǒng)外設(shè)、CAN協(xié)議棧和TDA7803驅(qū)動程序。

　　音調(diào)調(diào)整是指基于控制輸入來調(diào)整音頻信號的頻譜。在EVWSS應(yīng)用中，WAV文件的基本音調(diào)根據(jù)車速輸入而變化。

　　發(fā)動機聲音取決于發(fā)動機沖程，包括進(jìn)氣、壓縮、做功(膨脹)和排氣。這些沖程產(chǎn)生頻率調(diào)制信號音，而不是純信號音。改變采樣的音調(diào)調(diào)整參數(shù)以實現(xiàn)頻率調(diào)制。

　　此應(yīng)用包括兩種調(diào)制(鋸齒形和三角形)。在鋸齒形調(diào)制中，頻率從最低斜坡上升到最高，然后跳回最低。在三角形調(diào)制中，頻率從最低斜坡上升到最高，然后從斜坡下降到最低。對于混音，應(yīng)相對于車速配置不同增益。

　　盡管所需的WAV文件保存在閃存中，但用戶可以播放或停止某些WAV文件，具體取決于動態(tài)條件。

3 基于SigmaDSP的解決方案

　　對于入門級應(yīng)用，ADAU1450 SigmaDSP處理器可以替代ADSP-BF706處理器。為了進(jìn)行評估，可以使用EVAL-ADAU1452評估板。圖5顯示了SigmaDSP處理器內(nèi)部的不同算法模塊。

　　ADAU1450使用SigmaStudio編程環(huán)境支持以下軟件要求：

　　? 多信號音生成

　　? 動態(tài)音量控制，最多64級

　　? 混音

　　? 限幅器

　　? 音調(diào)調(diào)整，即隨著車速增加提高音調(diào)

　　? 同時播放SPI閃存中的最多5個WAV文件

　　ADI公司在SigmaStudio中提供了一個發(fā)動機聲音模擬器模塊，以簡化發(fā)動機聲音調(diào)整并減少所需的外部同步WAV文件數(shù)量。發(fā)動機聲音模擬器可以在內(nèi)部產(chǎn)生多達(dá)32個諧波。這些諧波的階數(shù)和幅度可以通過圖形用戶界面(GUI)進(jìn)行編程。發(fā)動機聲音模擬器模塊在SigmaStudio中已發(fā)布，可通過ADI網(wǎng)站上的軟件申請表頁面申請獲得。

4 結(jié)論

　　ADI公司為入門級應(yīng)用、以及支持車內(nèi)車外發(fā)動機聲音的高級發(fā)動機聲音模擬系統(tǒng)提供全面解決方案。本應(yīng)用筆記旨在幫助用戶簡化決策過程，并縮短產(chǎn)品上市時間。ADI公司提供完整的系統(tǒng)解決方案，包括用于快速開發(fā)原型和產(chǎn)品的必要軟件組件。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第71頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。