基于DSP的車(chē)輛碰撞聲檢測裝置的設計

1 硬件設計

我們設計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，傳感器輸出的電信號經(jīng)放大電路放大后，傳入聲音采集芯片的模擬信號輸入端。聲音采集芯片將模擬信號進(jìn)行A/D轉換后，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(chē)輛碰撞事故發(fā)生。存儲器模塊和DSP模塊相連，用于儲存需要處理的數據和固化的代碼數據，并為DSP模塊運算時(shí)提供臨時(shí)存儲空間。報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(chē)輛發(fā)生碰撞事故，報警模塊就向外發(fā)送報警信息。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(chē)輛噪聲信號的頻率一般不會(huì )超過(guò)10kHz,所以該聲音傳感器可很好的實(shí)現采樣。聲音傳感器將采集到的模擬信號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(jiǎn)稱(chēng)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(mǎn)足包括噪聲信號在內的聲音信號的采集要求。AIC23對采集到的模擬信號進(jìn)行雙聲道立體聲A/D轉換，可以在8kHz-96kHz的采樣率下提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣數據。本系統將外部聲信號以32kHz采樣頻率采集，每秒采集32000個(gè)聲音數據，并將采集數據的長(cháng)度設為16bit,這樣A/D轉換之后模擬信號變成了16位的數字信號。模擬信號轉化為數字信號之后，AIC23將數據傳輸給DSP模塊，供DSP模塊作下一步處理。

本系統將AIC23的MODE引腳設置為O,控制接口設置為I2C的工作方式，AIC23與DSP模塊的數據傳輸接口使用的是DSP模式。這樣DSP模塊就可以控制AIC23協(xié)同工作，并接收AIC23采集到的數據。

1.2 DSP模塊

DSP模塊是整個(gè)系統的核心，完成音頻信號的采集、控制、存儲、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(jiǎn)稱(chēng)VC5509)，它是一款性?xún)r(jià)比極高的16位定點(diǎn)DSP,具有多個(gè)高性能運算單元，系統時(shí)鐘為144MHz,指令運算速度高達1OOMMACS,而且提供豐富的片上擴展接口。

VC5509有兩個(gè)多通道緩沖串行口(McBSP)，McBSP具有與標準串行接口相同的基本功能，并在標準串行接口的基礎之上對功能進(jìn)行了擴展。本系統使用的語(yǔ)音采集芯片AIC23就通過(guò)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的系統時(shí)鐘BCLK相連。FSX和FSR實(shí)現發(fā)送和接收的幀同步，對應AIC23的LRCIN和LRCOUT引腳。數據發(fā)送引腳DX和數據接收引腳DR分別與AIC23的DIN和DOUT相連，完成串行數據發(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(wú)需CPU介入而在內部存儲器、外部存儲器和芯片上外設之間傳輸數據，當操作完成之后，DMA控制器可向CPU發(fā)出中斷請求信號。該系統使用了一個(gè)DMA通道0,從數據采集模塊讀入數據并寫(xiě)入外部存儲器的特定位置。當數據采集滿(mǎn)了之后，DMA控制器將產(chǎn)生中斷，控制DSP執行數據處理程序。DMA的使用減少了系統中斷次數，明顯提高了系統的運行速度。

對于聲音采集模塊采集到的聲音數據，由DSP模塊運行檢測軟件對其進(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口與報警和通訊模塊相通訊，報警和通訊模塊接收此引腳的信號來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞以決定是否報警。

1.3 存儲器模塊

VC5509支持統一的編址空間，片上內存的總容量為320kB,包括128k×16bit的RAM和32k×16bit的ROM,并可以根據用戶(hù)的需要擴展到最大為8M×16bit的片外內存空間。本系統選用的是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DSP模塊傳輸過(guò)來(lái)的聲信號數據，當DSP模塊需要處理數據時(shí)也會(huì )從該芯片的特定位置讀出相應的數據。

1.4 報警模塊

報警模塊配有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模塊從報警模塊的GPS模塊獲得車(chē)輛的速度和加速度信息并加入聲信號信息進(jìn)行輔助計算。報警模塊從DSP模塊獲得實(shí)時(shí)的車(chē)輛碰撞信息，一旦檢測到碰撞信號，報警模塊即向服務(wù)器報警。

2 軟件和算法設計

我們設計的系統軟件是一個(gè)運行于DSP之上的程序，控制系統各模塊工作，并完成算法計算。使用TI公司的CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。

該軟件首先進(jìn)行初始化，對VC5509和AIC23的運行參數進(jìn)行配置。對VC5509芯片的鎖相環(huán)配置時(shí)，將系統時(shí)鐘設置為144kHz.對McBSP進(jìn)行配置時(shí)，打開(kāi)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)停止數據的傳輸。配置AIC23的工作模式為DSP模式并使用IIC方式傳輸數據。啟動(dòng)AIC23對聲信號進(jìn)行32k采樣速率的采樣。

初始化結束后進(jìn)行采樣檢測，經(jīng)過(guò)采樣檢測，一旦發(fā)現采集到的信號滿(mǎn)足分幀條件，即采集到的聲信號長(cháng)度足夠1秒時(shí)，就執行自動(dòng)聲檢測算法。

自動(dòng)聲檢測算法讀出數據并進(jìn)行判斷，如果檢測到的是非碰撞事件，則繼續執行采樣檢測以等待處理下一秒數據，這時(shí)軟件在執行空循環(huán);當自動(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模塊確認速度和位置信息之后就通過(guò)報警模塊報警。此軟件的流程如圖3所示。

軟件流程圖中自動(dòng)聲檢測算法的設計是核心部分，下面做重點(diǎn)介紹。由于不同聲波信號的幅頻特性和相頻特性不同，不同聲波信號在各個(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(lái)實(shí)現目標識別。

自動(dòng)聲檢測算法包括聲音信號采集和分幀、特征提取、特征降維、特征分類(lèi)四部分，

其具體實(shí)現步驟如下：