基于VLC技術的車輛安全預警系統

劉定策，茹超超，段錦鵬

（1.河南理工大學 電氣工程與自動化學院，焦作，454100；2.河南理工大學 物理與電子信息學院，焦作454100）

長期以來，交通駕駛員之間的溝通方式只是簡單地閃燈或鳴笛，不僅表達信息量少而且不方便、不安全。

目前，可見光無線通信VLC 技術在國內外的研究領域非常廣，而且投入也在日益增加。國內的主流LED 廠商均對可見光技術開展了相關研發，但尚未有一家能夠實現規模化量產，大部分企業仍處于試驗、評估或者小規模試產階段。多數LED 大廠的可見光技術項目尚處于密切觀望狀態[1-3]。

根據全球第二大市場研究機構Markets and Markets 最新研究顯示，可見光通信市場預計將從2017年13 億美元增長到2022年149.1 億美元，復合年增長率CAGR（compound annual growth rate）將達62.9%[4-5]。推動這一增長的主要因素是相比其他競爭技術，可見光通信技術具有：更快和更安全的數據傳輸；射頻頻譜帶寬緊縮；無帶寬限制，能耗少；更環保、更清潔、更安全。2014年日本Takaya 研發汽車間可見光通信系統，速率達到10 Mb/s，發射端為LED 陣列，接收端為圖像傳感器[6]。2015年，美國Target 在其店面安裝VLC 定位導航系統；法國家樂福利用飛利浦VLC-LED 燈具在大型賣場啟用室內可見光導航系統。國內從研發首套可見光通信系統起步，應用轉化主要集中在2013—2016年，如2013年的光子支付系統及光子支付解決方案[7-8]。在此將可見光通信技術用于汽車安全領域，設計了車輛安全預警系統，可使司機之間直接對話交流，方便可靠。

1 總體設計方案

基于可見光通信技術的車輛安全預警系統以DSP 處理器為核心，利用可見光進行通信，使用LED 作為信號的發射源，用強度不同表征信號，并把其加載到LED 發光器件上，通過LED 燈的明暗閃爍來傳遞所需要的信息。App 音頻輸入后，經DSP處理器處理將音頻信號轉換為電信號，并將其加載到LED 燈上實現信號發送，指定方向的車輛在收到光信號后，經過處理器處理后最終以音頻信號的傳達發送方車輛所要傳達的音頻信息。其總體工作流程如圖1所示。

圖1 系統的總體流程Fig.1 Overall flow chart of the system

2 硬件系統設計

2.1 發送模塊設計

LED 可見光無線通信系統發射模塊主要由LED 驅動電路、音頻輸入模塊、電源模塊構成。LED驅動電路前級有音頻輸入，主要作為信號源信號輸入接口使用，在此使用手機App 作為主要的音頻信號源。通過LED 驅動電路將信號加載到發光二極管LED 上，通過LED 的閃爍將信號發送出去。LED 驅動電路如圖2所示。

圖2 LED 驅動模塊電路Fig.2 LED driver module circuit

錄音電路選用的芯片采用TI 制造的NE5532運算放大器，該芯片具有以下優點：性價比高，價格相對比較低廉；保真度高；較高的小信號帶寬；電源電壓范圍大[9]。

2.2 電源模塊設計

由于LED 車燈的工作電壓為12 V，而驅動NE5532 只需+5 V 電壓配合反壓芯片即可，因此電源設計時需將+12 V 轉換成+5 V。在元件選取上，選用ams1117-5.0 芯片進行12 V 轉+5 V 電路的設計。ams1117-5.0 芯片輸出電壓穩定，體積小，誤差值不超過±1.3 V，可以用于將12 V 電壓轉成5 V 電壓。12 V 轉5 V 電源電路如圖3所示。

圖3 12 V 轉5 V 電源電路Fig.3 12 V to 5 V power supply circuit

在此采用LM2596 芯片進行5 V 轉3.3 V 電路的設計。LM2596 開關穩壓芯片，輸出電壓穩定，體積小，可以穩定地用于該電壓轉換。5 V 轉3.3 V 電路如圖4所示，主要由LM2596 芯片及相關電容組合而成。其中，輸入5 V 電壓接LM2596 的腳1，電容C19、C20、C21實現濾波功能；D4為發光二極管，用于提示通電狀態；LM2596 的腳2 輸出3.3 V 電壓，電容C22、C23、C24起濾波作用。

圖4 5 V 轉3.3 V 電路Fig.4 5 V to 3.3 V circuit

2.3 接收模塊電路設計

該系統接收模塊部分的硬件主要由光電檢測模塊、信號處理模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。

在光電檢測模塊中，使用光電檢測器來獲取帶有數據信息的可見光信號，通過光電轉換的方法把數據信息的光信號轉換成帶有數據信息的模擬電信號，采用運算放大器對電信號進行放大，放大后的電信號經過信號處理模塊，利用模數轉換功能將模擬信號轉換成數字信號，完成轉換的數字信號立即通過McBSP 送至處理器F28335 中進行處理。光電檢測模塊電路如圖5所示。

2.4 信號處理模塊設計

光信號通過光電檢測器由光信號轉換成電信號，然后經過前置放大模塊的放大，由微弱信號變成較強的信號。但是這些信號均為模擬信號，要將其輸入到處理器F28335 中進行處理，就必須把模擬信號轉換成數字信號。

設計中采用TLV320AIC23 作為音頻信號處理的芯片。AIC23 是TI 公司推出的一款高性能立體聲音頻芯片，內置耳機或者揚聲器輸出放大器，可以為外界提供2 種輸入方式MIC 和LINEIN，使用時這2 種方式不可同時啟用，在輸入和輸出2 個方向上都具有可編程增益調節功能。AIC23 的內部運用特殊技術高密度集成了模數轉換（ADCs）和數模轉換（DACs）部件。該芯片具有非常低的能耗，在同類產品中屬于佼佼者，錄放模式下功率僅為23 mW，工作電壓為單電源3.3 V[11-13]。TLV320AIC23 外圍連接電路如圖6所示。

圖5 光電檢測模塊電路Fig.5 Photoelectric detection module circuit

圖6 TLV320AIC23 外圍連接電路Fig.6 Peripheral connection circuit of TLV320AIC23

3 軟件系統設計

通信雙方一方面等待自己方面音頻信號輸入，一方面準備輸出對方發來的信號。通過McBSP 方式F28335 的發送時鐘信號口（MCLKXA）和AIC23 的接口時鐘信號BCLK 相連，系統時鐘由F28335 提供；F28335 的發送串行數據口（MDXA）和接收串行數據口（MDRA） 分別與AIC23 的數據輸入口DIN和數據輸出口DOUT 相連；F28335 的發送幀同步口（MFSXA）和接收幀同步口（MFSRA）分別于AIC23的數字音頻DAC 幀信號接口（LRCIN）和數字音頻ADC 幀信號（LRCOUT）相連。系統的整體程序流程如圖7所示。

圖7 系統的整體程序流程Fig.7 Flow chart of whole system program

4 性能測試與評估分析

在信號接收模塊中，通過PD 接收光信號，將其送入音頻信號處理模塊AIC23 中，先進行AD 轉換，轉化后的信號傳至F28335 進行相應處理，隨后送回AIC23 進行DA 轉換，并在最后送至揚聲器或者耳機進行放音處理。這一段信號處理部分效果的好壞直接影響輸出聲音的質量。為此，對裝置中該部分的性能進行測試，即對輸入、輸出該部分的信號波形進行比對。輸入、輸出音頻信號波形如圖8所示。

圖8 輸入、輸出音頻信號波形Fig.8 Input and output audio signal waveform

由圖可見，經由AIC23 接收的信號與由F28335處理后經由AIC23 輸出的波形一致。對比結果表明該通訊裝置傳輸音頻時具有較高的準確性。

5 結語

針對目前傳統的汽車駕駛員之間交流不便，容易造成交通事故的現狀，設計了基于可見光通信技術的車輛安全預警系統。該裝置豐富了傳統的“汽車燈語”，通過建立可見光通信模型使汽車司機在超車、轉彎、會車、變道等多種情況下及時交流避免交通事故發生，同時在發生擁堵及緊急車輛需要讓行時可以通過車輛間接力式傳遞方式，實現指定方向遠距離交流，緩解擁堵現象，營造文明的交通氛圍。試驗表明，它幾乎不受天氣影響，可大大提高傳輸效率，保證駕駛員間互動的有效性，在極端天氣下由于現代LED 車燈的穿透性較強，所以對于駕駛員間互動影響較小。其次，LED 光源發出的光線較為集中，可以有效避免光通路以外的外界干擾，且可見光無線通信無電磁干擾影響，對無線電頻率不產生重疊，適用于各種環境。該系統操作簡單方便，實用性強，具有很高的市場推廣價值。