一种基于声信号的车辆碰撞检测装置研究与设计

0 引言

　　交通事故伤害已日益成为威胁人类生命安全的一种世界性公害。及时发现交通事故的发生并报警，可有效地减少交通事故的伤亡率。

　　现阶段，减少交通事故伤害主要通过使用交通事故检测装置来实现，主要分为基于磁频信号、基于波谱信号和基于视频信号的车辆检测装置。各种检测装置采用包括摄像头、超声波或微波等来检测交通事件，主要是处理宏观的交通流信息，这种间接的检测技术存在识别率不高、延迟时间长的缺点，使得交通事故发生后难以得到及时有效的救助。

　　由于交通事故发生时会产生很大的碰撞声，而碰撞声和其它声音的频谱不一样，通过采集并分析车辆周围的声信号来检测车辆事故，可以实时获得事故现场信息并报警，因此在即时性上比交通流分析方法好，而且在事故的识别成功率上也可相对提高。Yunlong Zhang提出了利用小波变换分析车辆声音的方法来检测车辆事故，得到了很好的识别效果。吉林大学的陈强等人利用该方法分析车辆噪声并分类，可以区分出各类不同车辆的碰撞信息。但以上算法的设计都是基于计算机的数据分析，没有在该理论的基础上设计出实际的硬件装置，而且在算法的准确性上也有待进一步改进。因此设计一种实时性强、准确性高的车辆碰撞声检测硬件装置具有很高的实用价值。

　　本文采用小波分析和模式识别方法分析车辆噪声信号，设计了一种基于DSP的车辆碰撞声检测装置，该装置能有效检测车辆碰撞事件，实现交通事故的自动识别。相对于已有交通事故检测装置具有识别率高、实时性强的优点，而且价格较低。

1 硬件设计

　　我们设计的碰撞检测装置的原理框图如图1所示，首先采用声音传感器采集各种声音信号，传感器输出的电信号经放大电路放大后，传入声音采集芯片的模拟信号输入端。声音采集芯片将模拟信号进行A／D转换后，送到DSP模块做进一步处理。DSP模块实时地处理所采集到的声音信息，判断是否有车辆碰撞事故发生。存储器模块和DSP模块相连，用于储存需要处理的数据和固化的代码数据，并为DSP模块运算时提供临时存储空间。报警模块和通讯模块与外部救援中心相通讯，一旦DSP模块检测到车辆发生碰撞事故，报警模块就向外发送报警信息。下面分别介绍主要模块功能。

　　1．1 声音采集模块

　　声音采集模块使用电容式声音传感器，采样频率为30Hz～18kHz，由于车辆噪声信号的频率一般不会超过10kHz，所以该声音传感器可很好的实现采样。声音传感器将采集到的模拟信号送入放大电路放大后传送到声音采集芯片。

　　声音采集芯片采用TLV320AIC23B(简称AIC23)，它是TI公司的一款高性能立体声音频编解码器芯片，具有48kHz带宽，可以满足包括噪声信号在内的声音信号的采集要求。AIC23对采集到的模拟信号进行双声道立体声A／D转换，可以在8kHz-96kHz的采样率下提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样数据。本系统将外部声信号以32kHz采样频率采集，每秒采集32000个声音数据，并将采集数据的长度设为16bit，这样A／D转换之后模拟信号变成了16位的数字信号。模拟信号转化为数字信号之后，AIC23将数据传输给DSP模块，供DSP模块作下一步处理。

　　本系统将AIC23的MODE引脚设置为O，控制接口设置为I2C的工作方式，AIC23与DSP模块的数据传输接口使用的是DSP模式。这样DSP模块就可以控制AIC23协同工作，并接收AIC23采集到的数据。

　　1．2 DSP模块

　　DSP模块是整个系统的核心，完成音频信号的采集、控制、存储、处理以及与外界通讯等功能。选用的是TI公司生产的DSP芯片TMS320V-C5509(简称VC5509)，它是一款性价比极高的16位定点DSP，具有多个高性能运算单元，系统时钟为144MHz，指令运算速度高达1OOMMACS，而且提供丰富的片上扩展接口。

　　VC5509有两个多通道缓冲串行口(McBSP)，McBSP具有与标准串行接口相同的基本功能，并在标准串行接口的基础之上对功能进行了扩展。本系统使用的语音采集芯片AIC23就通过McBSP和DSP相连接，其连接示意图如图2所示。其中CLKX为发送时钟，CLKR为接收时钟，它们都和AIC23的系统时钟BCLK相连。FSX和FSR实现发送和接收的帧同步，对应AIC23的LRCIN和LRCOUT引脚。数据发送引脚DX和数据接收引脚DR分别与AIC23的DIN和DOUT相连，完成串行数据发送和接收操作。

　　VC5509还包含6个可编程的DMA通路，DMA控制器可以无需CPU介入而在内部存储器、外部存储器和芯片上外设之间传输数据，当操作完成之后，DMA控制器可向CPU发出中断请求信号。该系统使用了一个DMA通道0，从数据采集模块读入数据并写入外部存储器的特定位置。当数据采集满了之后，DMA控制器将产生中断，控制DSP执行数据处理程序。DMA的使用减少了系统中断次数，明显提高了系统的运行速度。