常用車載距離探測技術(shù)介紹及裝甲車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近年來，裝甲車輛在日常訓(xùn)練過程中，惡性事故時(shí)有發(fā)生，給部隊(duì)的人員生命及裝備安全帶來極大的損失。裝甲車輛在行駛中通常采用閉倉駕駛，駕駛員視線受到影響，而部隊(duì)訓(xùn)練又經(jīng)常在丘陵地域，路況十分不好，特別是北方部隊(duì)，訓(xùn)練時(shí)經(jīng)常伴有大量的灰塵，這就大大增加了車輛事故的發(fā)生概率。造成裝甲車輛碰撞的原因十分復(fù)雜，既有裝甲車輛自身的因素，也有人為的因素，還有道路、氣象等環(huán)境因素，總而言之，人、車、環(huán)境是影響車輛行駛安全性能的三大因素，這三者組成了相互制約的系統(tǒng)工程。

　　為了解決裝甲車輛訓(xùn)練安全問題，本文提出開發(fā)研究一種能實(shí)時(shí)獲取車輛位置信息并及時(shí)提醒駕駛員或者系統(tǒng)自動(dòng)采取措施以避免出現(xiàn)危險(xiǎn)情況的裝甲車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的研究開發(fā)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

常用車載距離探測技術(shù)簡介

　　目前，距離傳感器主要分為三類：聲學(xué)類——超聲波；光學(xué)類——無源紅外線、激光雷達(dá)及視頻成像系統(tǒng)；電磁類——連續(xù)波雷達(dá)/單脈沖雷達(dá)及電容式傳感器等。每一種距離探測技術(shù)都有其適用的場合。

　　（1）超聲波傳感器

　　超聲波是頻率在20KHz以上，人耳感覺不到的聲波。與可聞聲相比，它的特點(diǎn)是頻率高，波長短，在傳播中具有良好的束射性、穿透性和方向性。超聲波距離傳感器一般采用獨(dú)立的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器由高頻信號（40KHz~80KHz）來激勵(lì)。測量發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖至接收到反射信號所用的時(shí)間間隔，可以簡單地估計(jì)出被測物體的距離。

　　其主要優(yōu)點(diǎn)是成本較低、尺寸較小；主要缺點(diǎn)是有些目標(biāo)物（如土壤和草木）的反射信號很弱而無法探測。另一個(gè)缺點(diǎn)是聲波在空氣中的傳播時(shí)間隨溫度變化，因此，超聲波傳感器用于溫度范圍較大的場合時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。故超聲波傳感器一般應(yīng)用在較短距離測量上，最佳距離為4米到5米。

　?。?）無源紅外線式傳感器

　　無源紅外線式傳感器是基于測量傳感器附近物體所發(fā)射的熱能來實(shí)現(xiàn)測距的。與超聲波距離傳感器相同，無源紅外線傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低且尺寸小；主要缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間過長，使駕駛員得到的提前報(bào)警常常不足以躲避碰撞，這就限制了其在車輛碰撞報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　?。?）激光雷達(dá)傳感器

　　由于光束一般很集中，激光雷達(dá)主要用于大范圍直線距離的測量。激光雷達(dá)量程大、方向性強(qiáng)且響應(yīng)時(shí)間快，但成本高、易受外界環(huán)境（如能見度低、傳感器表面有泥土）的影響。同時(shí)，激光能量必須在人眼安全水平范圍之內(nèi)。

　?。?）連續(xù)波雷達(dá)傳感器

　　連續(xù)波雷達(dá)采用頻率調(diào)制的高頻電磁載波（一般為微波頻率或者更高、通常為鋸齒形信號）。比較反射信號與發(fā)射信號，可得到與被測距離成比例的頻率差。利用返回信號的多普勒偏轉(zhuǎn)還能確定被測物體的相對速度。

　　連續(xù)波雷達(dá)的突出優(yōu)點(diǎn)是能穿透泥土和飛濺物“看到”物體；并且窄波束和寬波束均可以使用，因而能夠把波束寬度調(diào)制得適于特殊用途。其主要缺點(diǎn)是微波和毫米波頻段的電磁裝置成本相對較高。另外，用電子學(xué)方法對相對窄的、探測距離大的波束進(jìn)行掃描能得到更大的測程和波束寬度，但復(fù)雜度和成本隨之增加。

防撞預(yù)警系統(tǒng)的基本功能及工作原理

　　根據(jù)野戰(zhàn)條件下裝甲車輛預(yù)防碰撞的需要，系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

　?。?）定位并顯示附近車輛。應(yīng)能定位出附近車輛位置，并在顯示器中顯示出來。

　　（2）當(dāng)兩車距離小于安全距離時(shí)報(bào)警。應(yīng)能精確測得兩車間的距離，當(dāng)兩車距離小于安全距離（5m）時(shí)，發(fā)出警報(bào)提醒駕駛員。

　　系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)采用GPS系統(tǒng)對車輛進(jìn)行定位，通過無線模塊接收周圍車輛位置并向外發(fā)送本車位置。在顯示屏上顯示周圍車輛，并計(jì)算兩車的距離，當(dāng)兩車距離小于15m時(shí)，使用距離傳感器進(jìn)行精確測距，當(dāng)距離小于5m時(shí)發(fā)出警報(bào)。對比常用車載距離探測技術(shù)中各傳感器的性能，由于距離傳感器測距不需要太遠(yuǎn)，結(jié)合成本及體積等方面的考慮，選擇超聲波傳感器作為本系統(tǒng)中的近距離測距器。

　　超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。

　　超聲測距從原理上可分為共振式和脈沖反射式兩種。由于應(yīng)用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（S），即S=C×t/2，式中，C為超聲波音速，由于超聲波也是聲波，故C即為音速。

　　聲速與現(xiàn)場溫度的經(jīng)驗(yàn)公式：C＝331.5＋0.607T。只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t以及現(xiàn)場溫度T，就可以精確計(jì)算出從發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離。

　　可以看出超聲波測距系統(tǒng)的主要部分有：

　?。?）供應(yīng)電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；

　　（2）使接收和發(fā)射隔離的開關(guān)部分；

　?。?）轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；

　?。?）接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號的接收傳感器；

　?。?）接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設(shè)備；

　?。?）記錄/控制設(shè)備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時(shí)間，存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)，并將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成距離。

　　在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，因此具有很高的抗干擾性能。

　　距離測量系統(tǒng)常用頻率范圍為25KHz~300KHz的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時(shí)共用一個(gè)，有時(shí)分開使用。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負(fù)責(zé)向傳感器輸出一個(gè)有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開強(qiáng)大的發(fā)射信號；記錄/控制部分啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并將時(shí)差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主要目的是定位并顯示附近車輛位置，測量車距，危險(xiǎn)時(shí)發(fā)出警報(bào)。

　　根據(jù)實(shí)際的功能需求，將系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)分成探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩個(gè)部分，其基本原理如圖1所示。其中，探測系統(tǒng)主要包括GPS模塊、超聲波測距模塊、無線模塊、電源模塊、主控電路和通信接口；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包括顯示模塊、報(bào)警模塊、電源模塊和主控電路。

　　傳感器、GPS和無線模塊的選擇

　?。?）超聲波傳感器的選擇

　　超聲波傳感器采用美國SensComp公司的Sens600系列智能超聲波傳感器，Sens600是基于超靈敏測距模塊6500的增強(qiáng)型靜電傳感器系列，集發(fā)送、接收于一體，新的電壓控制電路使傳感器可工作在6V～24V 直流電源下，測量范圍0.15m～10.7m，可外部觸發(fā)或內(nèi)部觸發(fā)，封裝較小，終端引腳連接方便。由于超聲波傳感器接收到回波信號時(shí)，輸出高電平，因此需在回波輸出端連接反相器至單片機(jī)外部中斷口，以便即時(shí)響應(yīng)。另外，在超聲波傳感器開口端面增加喇叭狀套筒設(shè)計(jì)，以限制和減少偏離發(fā)射軸中心較大的發(fā)射波和接收波，在一定程度上增強(qiáng)了抗干擾能力。

　?。?）溫度傳感器的選擇

　　目前存在的溫度傳感器主要分為兩種類型，即數(shù)字溫度傳感器和模擬式溫度傳感器。
數(shù)字溫度傳感器測量溫度是將溫度值直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字值輸出。數(shù)字溫度傳感器具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；②抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好；③信號易于處理、傳送和自動(dòng)控制；④便于動(dòng)態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；⑤安裝方便，維護(hù)簡單，工作可靠性高。

　　結(jié)合各種因素考慮，本文選用Dallas半導(dǎo)體公司推出的單線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。

　?。?）GPS的選擇

　　智能天線模塊包含完整的GPS接收機(jī)，帶內(nèi)置天線在快速系統(tǒng)集成應(yīng)用中，使其具有完全獨(dú)立的GPS功能，基于這種充分設(shè)計(jì)的GPS子系統(tǒng)，集成只需要最短的開發(fā)時(shí)間、最低的開發(fā)成本以及最小的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。對GPS智能天線模塊的選擇主要考慮：①特性（如節(jié)能模式和支持SBAS）；②易用性（特別是易配置性）；③定量指標(biāo)（可測參數(shù)），如準(zhǔn)確度、啟動(dòng)性能、跟蹤靈敏度和功耗；④定性指標(biāo)，包括由外場測試獲得的可預(yù)期定位結(jié)果。結(jié)合各種因素考慮，本文選用Starlight的ZG-P1121U模塊。

　?。?）無線模塊的選擇

　　無線模塊的選擇主要考慮以下因素：①傳輸距離，無線模塊的傳輸距離必須要滿足裝甲車輛野戰(zhàn)條件的需要；②抗干擾性，要具備抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力；③可操作性，要有可編程信道以滿足用戶多種通信組合方式；④經(jīng)濟(jì)性，性價(jià)比要高；⑤安全便利，安裝、維護(hù)、更換要方便快捷，小體積、重量輕等。

　　結(jié)合各種因素考慮，本文選用深圳市泰達(dá)鑫通信技術(shù)有限公司推出的TDX-2000無線數(shù)傳模塊。

探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　探測系統(tǒng)是指系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)探測和傳送的部分，基本任務(wù)為接收數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的命令，利用GPS和超聲波傳感器定位和測距，通過無線模塊接收周圍車輛位置并向外發(fā)送本車位置，并將探測到的數(shù)據(jù)通過通信接口傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

探測系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

　　探測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要包括超聲波模塊電路設(shè)計(jì)和通信接口電路設(shè)計(jì)。GPS模塊和無線模塊都是通過RS-232串口通信與單片機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

超聲波測距模塊電路設(shè)計(jì)

　?。?）超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

　　超聲波發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路圖

　　（2）超聲波接收電路設(shè)計(jì)

　　超聲波接收電路如圖3所示。

圖3 超聲波接收電路圖

溫度測量電路設(shè)計(jì)

　　溫度的測量是利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過主芯片MSP430F149的P54引腳傳送給主芯片。

　　DS18B20的電路連接可以有兩種方式：一種是使用寄生電源，另一種是使用外接電源。使用寄生電源方式時(shí)，進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到E2存儲(chǔ)器操作時(shí)，給I/O線提供一個(gè)強(qiáng)上拉。用MOSFET把I/O線直接拉到電源上就可以實(shí)現(xiàn)。在發(fā)出任何涉及拷貝到E2存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的協(xié)議之后，必須在最多10μs之內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉。使用寄生電源方式時(shí)，VDD引腳必須接地。

　　使用外接電源時(shí)，引腳VDD連接V+5，這樣做的好處是I/O線上不需要加強(qiáng)上拉，而且總線控制器不用在溫度轉(zhuǎn)換期間總保持高電平。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以允許在單線總線上進(jìn)行其他數(shù)據(jù)往來。當(dāng)加上外部電源時(shí)，GND引腳不能懸空。

　　根據(jù)系統(tǒng)的需要和實(shí)際情況，在這里采用寄生電源，主芯片的P54腳用于DS18B20的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。具體電路如圖4所示。

圖4 溫度測量電路圖

通信接口電路設(shè)計(jì)

　　通信接口擔(dān)負(fù)GPS模塊和無線模塊與主芯片數(shù)據(jù)交換及探測系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的任務(wù)。

　　串行通訊只需較少的端口就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和外圍設(shè)備的互通，具有無可比擬的優(yōu)勢。串行通訊有兩種方式：異步模式和同步模式。MSP430系列都有USART模塊來實(shí)現(xiàn)串行通信。在本設(shè)計(jì)中，MSP430F149的USART0模塊通過RS-232串口與外圍的串行設(shè)備通信。

　　本系統(tǒng)采用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232來實(shí)現(xiàn)通信（見圖5）。MAX3232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換芯片，包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器IC芯片，內(nèi)部有一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓變換成為RS-232輸出電平所需要的-10V~+10V電壓。

圖5 通信接口電路原理圖

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對探測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和計(jì)算，具體的任務(wù)有：①控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作狀態(tài)；②接收并顯示采集到周圍車輛的位置信息；③當(dāng)兩車距離小于安全距離時(shí)發(fā)出警報(bào)。

　　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是由主控電路、鍵盤、液晶顯示屏、蜂鳴報(bào)警電路和通信接口組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

液晶顯示電路的設(shè)計(jì)

　　液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。液晶顯示的分類方法有很多種，通?？砂雌滹@示方式分為段式、字符式、點(diǎn)陣式等。

　　點(diǎn)陣圖形式液晶由M×N個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上64×l6個(gè)顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對應(yīng)。
根據(jù)系統(tǒng)的需要和實(shí)際情況，在這里采用點(diǎn)陣圖形式液晶顯示，主芯片的P30腳用于數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。具體電路如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路圖

報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

　　在裝甲車輛行駛途中遇有情況時(shí)，駕駛員需要得到聲音報(bào)警提示，但是考慮到聲音報(bào)警時(shí)間較短，采取聲音提示可能來不及，所以系統(tǒng)報(bào)警方式設(shè)計(jì)為聲音報(bào)警同時(shí)有燈光閃爍預(yù)警。發(fā)光報(bào)警模塊由單片機(jī)控制的發(fā)光8位二極管來實(shí)現(xiàn)。由蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警的信號，本文報(bào)警單元的設(shè)計(jì)根據(jù)不同危險(xiǎn)程度采用聲、光結(jié)合的報(bào)警方式，更符合部隊(duì)訓(xùn)練的要求。

　　聲音報(bào)警使用蜂鳴器，通過I/O端口輸出脈沖控制，改變脈沖的頻率和作用時(shí)間來進(jìn)行不同種類的提示或者報(bào)警。為了提高驅(qū)動(dòng)能力，讓蜂鳴器產(chǎn)生一定強(qiáng)度的聲音，采用了對稱的晶體管驅(qū)動(dòng)，其電路如圖7所示。

圖7 蜂鳴報(bào)警電路原理圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括探測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

　?。?）探測系統(tǒng)的軟件主要有以下任務(wù)：

　?、偻瓿捎布到y(tǒng)如特殊功能寄存器和I/O口等的初始化；

　?、诰哂蠫PS模塊、超聲波模塊、溫度傳感器及無線模塊初始化和檢查功能；

　?、劬哂袑囟葌鞲衅鞑杉臏囟葦?shù)字信號接收和存儲(chǔ)功能；

　　④完成通信接口的初始化功能，實(shí)現(xiàn)與GPS模塊、無線模塊以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；

　?、菥哂须娫礄z測，保持低功耗狀態(tài)的功能；

　?、蘧哂袛?shù)據(jù)濾波功能，剔除采集到的誤差較大的數(shù)據(jù)。

　?。?）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)有：

　?、偻瓿捎布到y(tǒng)如特殊功能寄存器和I/O口等的初始化；

　　②完成顯示屏顯示采集到的數(shù)據(jù)顯示；

　?、弁瓿蓤?bào)警功能；

　?、芡瓿赏ㄐ拍K設(shè)計(jì)。

結(jié)束語

　　本文針對目前裝甲車輛在訓(xùn)練過程中存在的安全問題，提出設(shè)計(jì)一種裝甲車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)獲取車輛位置信息，及時(shí)提醒駕駛員或者系統(tǒng)自動(dòng)采取措施以避免出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，系統(tǒng)原理可行，電路可靠，應(yīng)用前景廣闊。