1 硬件設(shè)計(jì)
我們?cè)O(shè)計(jì)的碰撞檢測裝置的原理框圖如圖1所示,，首先采用聲音傳感器采集各種聲音信號(hào)，傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大后,，傳入聲音采集芯片的模擬信號(hào)輸入端,。聲音采集芯片將模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，送到DSP模塊做進(jìn)一步處理,。DSP模塊實(shí)時(shí)地處理所采集到的聲音信息,，判斷是否有車輛碰撞事故發(fā)生。存儲(chǔ)器模塊和DSP模塊相連,，用于儲(chǔ)存需要處理的數(shù)據(jù)和固化的代碼數(shù)據(jù),，并為DSP模塊運(yùn)算時(shí)提供臨時(shí)存儲(chǔ)空間。報(bào)警模塊和通訊模塊與外部救援中心相通訊,，一旦DSP模塊檢測到車輛發(fā)生碰撞事故,，報(bào)警模塊就向外發(fā)送報(bào)警信息。下面分別介紹主要模塊功能,。
1.1 聲音采集模塊
聲音采集模塊使用電容式聲音傳感器,，采樣頻率為30Hz~18kHz，由于車輛噪聲信號(hào)的頻率一般不會(huì)超過10kHz,，所以該聲音傳感器可很好的實(shí)現(xiàn)采樣,。聲音傳感器將采集到的模擬信號(hào)送入放大電路放大后傳送到聲音采集芯片。
聲音采集芯片采用TLV320AIC23B（簡稱AIC23）,，它是TI公司的一款高性能立體聲音頻編解碼器芯片,，具有48kHz帶寬,，可以滿足包括噪聲信號(hào)在內(nèi)的聲音信號(hào)的采集要求,。AIC23對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行雙聲道立體聲A/D轉(zhuǎn)換，可以在8kHz-96kHz的采樣率下提供16bit,、20bit,、24bit和32bit的采樣數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)將外部聲信號(hào)以32kHz采樣頻率采集,，每秒采集32000個(gè)聲音數(shù)據(jù),，并將采集數(shù)據(jù)的長度設(shè)為16bit，這樣A/D轉(zhuǎn)換之后模擬信號(hào)變成了16位的數(shù)字信號(hào),。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)之后,，AIC23將數(shù)據(jù)傳輸給DSP模塊,，供DSP模塊作下一步處理。
本系統(tǒng)將AIC23的MODE引腳設(shè)置為O,，控制接口設(shè)置為I2C的工作方式,，AIC23與DSP模塊的數(shù)據(jù)傳輸接口使用的是DSP模式。這樣DSP模塊就可以控制AIC23協(xié)同工作,，并接收AIC23采集到的數(shù)據(jù),。
1.2 DSP模塊
DSP模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，完成音頻信號(hào)的采集,、控制,、存儲(chǔ)、處理以及與外界通訊等功能,。選用的是TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320V-C5509（簡稱VC5509）,，它是一款性價(jià)比極高的16位定點(diǎn)DSP，具有多個(gè)高性能運(yùn)算單元,，系統(tǒng)時(shí)鐘為144MHz,，指令運(yùn)算速度高達(dá)1OOMMACS，而且提供豐富的片上擴(kuò)展接口,。
VC5509有兩個(gè)多通道緩沖串行口（McBSP）,，McBSP具有與標(biāo)準(zhǔn)串行接口相同的基本功能，并在標(biāo)準(zhǔn)串行接口的基礎(chǔ)之上對(duì)功能進(jìn)行了擴(kuò)展,。本系統(tǒng)使用的語音采集芯片AIC23就通過McBSP和DSP相連接,，其連接示意圖如圖2所示。其中CLKX為發(fā)送時(shí)鐘,，CLKR為接收時(shí)鐘,，它們都和AIC23的系統(tǒng)時(shí)鐘BCLK相連。FSX和FSR實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收的幀同步,，對(duì)應(yīng)AIC23的LRCIN和LRCOUT引腳,。數(shù)據(jù)發(fā)送引腳DX和數(shù)據(jù)接收引腳DR分別與AIC23的DIN和DOUT相連，完成串行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收操作,。
VC5509還包含6個(gè)可編程的DMA通路,，DMA控制器可以無需CPU介入而在內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器和芯片上外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù),，當(dāng)操作完成之后,，DMA控制器可向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。該系統(tǒng)使用了一個(gè)DMA通道0,，從數(shù)據(jù)采集模塊讀入數(shù)據(jù)并寫入外部存儲(chǔ)器的特定位置,。當(dāng)數(shù)據(jù)采集滿了之后，DMA控制器將產(chǎn)生中斷，控制DSP執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序,。DMA的使用減少了系統(tǒng)中斷次數(shù),，明顯提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。
對(duì)于聲音采集模塊采集到的聲音數(shù)據(jù),，由DSP模塊運(yùn)行檢測軟件對(duì)其進(jìn)行分析,，并判斷外部是否發(fā)生了碰撞。DSP模塊還引出一個(gè)IO口與報(bào)警和通訊模塊相通訊,，報(bào)警和通訊模塊接收此引腳的信號(hào)來判斷是否發(fā)生碰撞以決定是否報(bào)警,。
1.3 存儲(chǔ)器模塊
VC5509支持統(tǒng)一的編址空間，片上內(nèi)存的總?cè)萘繛?20kB,，包括128k×16bit的RAM和32k×16bit的ROM,，并可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展到最大為8M×16bit的片外內(nèi)存空間。本系統(tǒng)選用的是HY57V64芯片,，是一個(gè)有4個(gè)1M×16bit邏輯陣列的SDRAM芯片,。該芯片接收并存儲(chǔ)DSP模塊傳輸過來的聲信號(hào)數(shù)據(jù)，當(dāng)DSP模塊需要處理數(shù)據(jù)時(shí)也會(huì)從該芯片的特定位置讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù),。
1.4 報(bào)警模塊
報(bào)警模塊配有GPS和GSM模塊,，獲取位置和速度信息并與服務(wù)器進(jìn)行通訊。DSP模塊從報(bào)警模塊的GPS模塊獲得車輛的速度和加速度信息并加入聲信號(hào)信息進(jìn)行輔助計(jì)算,。報(bào)警模塊從DSP模塊獲得實(shí)時(shí)的車輛碰撞信息,，一旦檢測到碰撞信號(hào)，報(bào)警模塊即向服務(wù)器報(bào)警,。
2 軟件和算法設(shè)計(jì)
我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件是一個(gè)運(yùn)行于DSP之上的程序,，控制系統(tǒng)各模塊工作，并完成算法計(jì)算,。使用TI公司的CCS集成開發(fā)環(huán)境,，用C語言和匯編語言進(jìn)行編程。
該軟件首先進(jìn)行初始化,，對(duì)VC5509和AIC23的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置,。對(duì)VC5509芯片的鎖相環(huán)配置時(shí)，將系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為144kHz.對(duì)McBSP進(jìn)行配置時(shí),，打開VC5509的McBSP0并啟動(dòng)其進(jìn)行輸入輸出操作,。配置DMA0通道，使其工作于兼容模式并在中斷時(shí)停止數(shù)據(jù)的傳輸,。配置AIC23的工作模式為DSP模式并使用IIC方式傳輸數(shù)據(jù),。啟動(dòng)AIC23對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行32k采樣速率的采樣。
初始化結(jié)束后進(jìn)行采樣檢測,，經(jīng)過采樣檢測，一旦發(fā)現(xiàn)采集到的信號(hào)滿足分幀條件，即采集到的聲信號(hào)長度足夠1秒時(shí),，就執(zhí)行自動(dòng)聲檢測算法,。
自動(dòng)聲檢測算法讀出數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，如果檢測到的是非碰撞事件,，則繼續(xù)執(zhí)行采樣檢測以等待處理下一秒數(shù)據(jù),，這時(shí)軟件在執(zhí)行空循環(huán)；當(dāng)自動(dòng)聲檢測算法檢測到的是碰撞事件,，就向通訊模塊傳遞信息,，在GPS模塊確認(rèn)速度和位置信息之后就通過報(bào)警模塊報(bào)警。此軟件的流程如圖3所示,。
軟件流程圖中自動(dòng)聲檢測算法的設(shè)計(jì)是核心部分,，下面做重點(diǎn)介紹。由于不同聲波信號(hào)的幅頻特性和相頻特性不同,，不同聲波信號(hào)在各個(gè)頻率段的幅值也存在一定的差異,。因此，可利用各個(gè)頻率成分的能量變化來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別,。
自動(dòng)聲檢測算法包括聲音信號(hào)采集和分幀,、特征提取、特征降維,、特征分類四部分,，
其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
（1）采集和分幀。將采集到的信號(hào)按每2s分為一幀,，幀與幀之間有1s的交疊,。對(duì)32k采樣率的芯片來說，即每一次只對(duì)2s的片段65536個(gè)點(diǎn)進(jìn)行處理,，在訓(xùn)練階段兩個(gè)片段之間有1/2重復(fù),。這樣得到一組數(shù)據(jù)Datai（1≤i≤65535）。
（2）特征提取,。對(duì)每一幀信號(hào)數(shù)據(jù)Datai（1≤i≤65535）實(shí)施DWT變換以得到頻域信息,，然后根據(jù)得到的頻域信息統(tǒng)計(jì)能量的分布，以此作為識(shí)別交通事故的特征,。本算法采用DB1小波,，對(duì)每一幀信號(hào)，先進(jìn)行一層分解,，然后高頻系數(shù)進(jìn)行兩層完整的分解,，低頻系數(shù)進(jìn)行10層單向分解得到18組數(shù)據(jù)。計(jì)算得到特征分量F=[E1,，E2…E18],。
（3）特征降維,。對(duì)特征提取后的信號(hào)量實(shí)現(xiàn)降維。在提取出的特征分量F的基礎(chǔ)上,，本算法采用基于主成分分析（PCA）的異常點(diǎn)檢測算法檢測交通事故碰撞聲,。原特征F變換后得到公式為，其中H為PCA方法得到的投影矩陣,。
（4）特征分類,。收集正常運(yùn)行和交通事故時(shí)的車輛周圍聲音信號(hào)樣本，并訓(xùn)練構(gòu)造分類器,，實(shí)現(xiàn)對(duì)行駛過程中的聲音分類,。分類器擬輸出兩類分類結(jié)果：一類為正常運(yùn)行聲音，另一類為重大交通事故的碰撞聲音,。判別條件為：
其中為訓(xùn)練樣本集的特征分量投影,。n表示允許偏出給定區(qū)間Ii的最大個(gè)數(shù)，當(dāng)n大于某個(gè)閾值時(shí)即為碰撞,，反之則不為碰撞,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)樣本總數(shù)為200個(gè)，分為碰撞樣本和非碰撞樣本兩類,，每類都為100個(gè)樣本,。碰撞樣本采集于車輛廠商的碰撞試驗(yàn)，非碰撞樣本采集于日常常見各類聲音信號(hào),。其中碰撞樣本的長度為10s,，包含完整的車輛碰撞過程的聲音，并混有剎車等常見噪聲,。非碰撞樣本的長度為20s,，分為自然環(huán)境類、音樂類和語音類等幾種聲音,。在碰撞樣本中,，20個(gè)作為算法的訓(xùn)練樣本，剩下的80個(gè)用于檢測算法的效果,。一般普通聲音的頻譜如圖4 a）所示,，而典型的碰撞聲樣本的頻譜如圖4 b）所示。
我們的碰撞聲檢測儀在一個(gè)模擬的環(huán)境下進(jìn)行測試,，盡可能地還原真實(shí)場景,。使用低失真功放裝置反復(fù)對(duì)真實(shí)場景中采集到的碰撞信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。并和文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,。其中整體成功率是對(duì)判斷對(duì)的樣本總數(shù)和實(shí)驗(yàn)樣本總數(shù)的比值,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于表1.
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無論對(duì)碰撞樣本還是非碰撞樣本,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果都非常準(zhǔn)確,，這說明本算法在設(shè)計(jì)上較為合理,，在較小的干擾下可以達(dá)到碰撞聲分類的目的，和文獻(xiàn)提到的結(jié)果相比,，無論是碰撞樣本還是非碰撞樣本,，準(zhǔn)確度都有所提升,。
4 結(jié)束語
利用TMS3205509芯片做信號(hào)處理以及TLV320AIC23B做采集芯片的車輛碰撞報(bào)警裝置,，體積小、成本低,。此裝置使用分幀的方式對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別計(jì)算,，以實(shí)現(xiàn)車輛碰撞的及時(shí)報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，此系統(tǒng)可靠性高,、延時(shí)較短、可及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),。此系統(tǒng)的應(yīng)用可提高機(jī)動(dòng)車輛駕乘人員的安全系數(shù),，從而降低駕乘人員的車禍傷亡率，具有良好的應(yīng)用前景,。
