呂潔印，周受欽，曹廣忠

（1.深圳大學(xué) 自動(dòng)化研究所，廣東 深圳 518060；2.中國國際海運(yùn)集裝箱（集團(tuán)）股份有限公司 廣東 深圳 518067）

以半掛車為代表的大型車輛其特點(diǎn)是車身長、倒車視野差、車尾倒車盲區(qū)多等。本文提出的智能輔助倒車系統(tǒng)是泊車或者倒車時(shí)的安全輔助裝置，由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器（或蜂鳴器）等部分組成?，F(xiàn)今眾多輔助倒車系統(tǒng)都是有線的，布線安裝非常不便，使車體內(nèi)的線路復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障，從車后雷達(dá)主機(jī)到車前儀表臺(tái)上駕駛室終端顯示器需要布置一條線，這樣在安裝時(shí)要拆裝車內(nèi)的裝飾板、膠條等，在車身比較長的大型車輛上安裝尤其不便，采用無線倒車輔助裝置就成為輔助倒車系統(tǒng)的一個(gè)新趨勢。

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）是利 用射頻信號(hào)，通過空間耦合（交變磁場或電磁場）來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象的無接觸識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。RFID以無線方式進(jìn)行雙向通信，可實(shí)現(xiàn)批量讀取和遠(yuǎn)程讀取，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大等優(yōu)點(diǎn)，是近距離無線傳輸?shù)氖走x。基于超聲波測距技術(shù)、RFID技術(shù)、紅外感應(yīng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一種用于大型車輛的無線射頻智能輔助倒車系統(tǒng)。

1 超聲波測距原理

超聲波測距原理是利用超聲波發(fā)射器發(fā)射出的40 kHz超聲波信號(hào)遇到障礙物后接收器接收，測量發(fā)射器發(fā)射和接收器接收超聲波的時(shí)間差t，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度V，求出測距S，公式為：。超聲波在空氣中的傳播速的受溫度影響較大，不同溫度值對應(yīng)傳播速度關(guān)系（見圖2），所以要利用溫度值對其進(jìn)行聲速補(bǔ)償才能得到比較精確的距離值。頻率為40 kHz左右的超聲波，它在空氣中的傳播效率較佳[4]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對如圖2所示以半掛車為代表的大型車輛的特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的無線智能輔助倒車系統(tǒng)由兩部分組成：雷達(dá)主機(jī)和駕駛室終端，兩者之間通過射頻信號(hào)進(jìn)行通信，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。雷達(dá)主機(jī)位于車尾，主要包括溫度傳感器、超聲波收發(fā)模塊、MCU1、射頻模塊1、串口和電源模塊。主要功能是超聲波收發(fā)模塊來檢測離障礙物的距離信號(hào)、紅外感應(yīng)模塊來檢測車尾附近是否有生命物體信號(hào)、溫度傳感器檢測車輛所處環(huán)境溫度信號(hào)、MCU1對以上各信號(hào)進(jìn)行處理并把處理結(jié)果發(fā)給射頻模塊1并經(jīng)由射頻天線發(fā)出射頻信號(hào)到駕駛室終端。雷達(dá)主機(jī)采用車尾燈電源供電亦可采用太陽能供電。

圖1 超聲波傳播速度對比圖Fig.1 Thecomparison chart of ultrasonic propagation speed

圖2 半掛車Fig.2 Semi-trailer

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖Fig.3 Diagram of the system structure

駕駛室終端位于駕駛室，是輔助倒車系統(tǒng)與駕駛員的人機(jī)接口，包括顯示模塊、鍵盤模塊、語音模塊、射頻模塊2、MCU2、串口和電源模塊。主要功能是射頻模塊2接收雷達(dá)主機(jī)發(fā)來的射頻信號(hào)將其處理后發(fā)給MCU2，語音模塊和顯示模塊對倒車時(shí)車尾狀態(tài)進(jìn)行顯示必要時(shí)報(bào)警提示，鍵盤模塊可以對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和開/關(guān)系統(tǒng)。

3 硬件設(shè)計(jì)

MCU1和MCU2采用高性能的C8051F340芯片，C8051F340是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級單片機(jī)。他集成了豐富的模擬資源和外部設(shè)備接口，功能強(qiáng)大，與其他芯片相比需要的芯片更少硬件電路簡單。此單片機(jī)內(nèi)核為增強(qiáng)的CIP-51內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，其峰值執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS[5]。工作模式需要電壓為3.3 V，功耗更低。

3.1 溫度傳感器、超聲波模塊和紅外感應(yīng)模塊接口電路

雷達(dá)主機(jī)感應(yīng)模塊接口電路如圖4所示。

圖4 雷達(dá)主機(jī)接口電路Fig.4 The interface circuit of radar host

由于超聲波傳播速度受溫度影響較大，要得到比較好的測量值，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。系統(tǒng)采用DSl8b20數(shù)字式溫度傳感器來進(jìn)行傳感器溫度測量，DSl8b20功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，易編程，測溫范圍為-55~125℃，并且因?yàn)樗菙?shù)字傳感器，不需要A/D轉(zhuǎn)換，電路簡單，非常適合溫度檢測[6]。HYSRF05超聲波測距模塊可提供2~450 cm的非接觸式距離感測功能，測量精度可達(dá)3 mm，可以用來測量車位距離，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路，但其沒有溫度補(bǔ)償功能，需要測量溫度然后通過軟件編程進(jìn)行溫度補(bǔ)償。HCSR501普通型人體紅外感應(yīng)模塊，用來檢測車位附近生命物體，感應(yīng)范圍小于120度錐角，7米以內(nèi)，當(dāng)生命物進(jìn)入HC-SR501感應(yīng)范圍則產(chǎn)生高電平，離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平。

3.2 MCU1和MCU2射頻收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

射頻模塊用來為雷達(dá)主機(jī)與駕駛室終端的收發(fā)數(shù)據(jù)端口。射頻模塊1和射頻模塊2采用芯片nRF905，它是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9－3.6V，工作于433/868/915MHz 3個(gè)ISM頻道[7]，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以10 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅有30 mA，接收時(shí)工作電流只有12.5 mA，多種低功率工作模式，待機(jī)模式下電流僅為12.5μA，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。

nRF905的天線有多種形式，本系統(tǒng)采用50Ω阻抗天線，nRF905的ANT1、ANT2輸出引腳為差分輸出，輸出阻抗不等同于天線的輸入阻抗，必須在ANT引腳和天線之間設(shè)置匹配網(wǎng)絡(luò)來提高無線收發(fā)性能；由于nRF905有內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器，所以RF非常強(qiáng)勁，因此要求最小的PCB版面設(shè)計(jì)，但要注意要把地網(wǎng)層、避免使用長電源線等特點(diǎn)包括進(jìn)去，如圖5所示。

圖5 射頻模塊實(shí)物圖及電路圖Fig.5 The physical map and circuit diagram of RF module

3.3 駕駛室終端硬件電路

顯示模塊采用RT12864－S中文字庫型液晶顯示模塊，可以顯示字母、數(shù)字、中文字型及圖形其提供三種控制接口：8位微處理器接口、4位微處理器接口、串行接口，此處PSB接地 選 擇 串 行 接 口 模 式，RS（CS）、RW （SID）、E （CLK）和LCMREST分別為片選、數(shù)據(jù)、脈沖、復(fù)位信號(hào)引腳，引腳19、20來提供背光電源；主機(jī)還有按鍵和蜂鳴報(bào)警電路，便于操作者進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和報(bào)警感應(yīng)。駕駛室終端硬件電路如圖6所示。生成前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，接收到有效地?cái)?shù)據(jù)包時(shí)nRF905分別驗(yàn)證前導(dǎo)碼，地址和CRC位，然后再把PAYLOAD數(shù)據(jù)送入微控制器處理。通過配置寄存器中的CH_NO和HFREQ_PLL來配置nRF905的工作頻率f，本設(shè)計(jì)設(shè)定工作頻率為433 MHz，其公式（1）為：

圖6 駕駛室終端硬件電路Fig.6 The hardware circuit of cabterminal

4 軟件設(shè)計(jì)

nRF905采用ShockBurst技術(shù)，有兩種活動(dòng)模式和節(jié)電模式：ShockBurst RX、ShockBurst TX、掉電和SPI編程、STANDBY和SPI編程。ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數(shù)字應(yīng)用部分的速度來降低在應(yīng)用中的平均電流。接收發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式從前到后依次為：Preamble、Address、Payload、CRC。 Preamble為 引 導(dǎo) 字 節(jié)，Address為接收模塊地址，Payload為數(shù)據(jù)位包括有無生命體、溫度、距離數(shù)據(jù)，CRC為校驗(yàn)碼。在發(fā)送模式時(shí)，NRF905自動(dòng)

雷達(dá)主機(jī)流程圖如圖7（a）所示。為了進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)在駕駛室終端沒有發(fā)出雷達(dá)主機(jī)開始檢測指令前，在沒有接收到開始測距指令時(shí)nRF905在掉電模式、StandBy模式、ShockBurst模式之間切換等待開始檢測指令并增長掉電模式時(shí)長來降低系統(tǒng)功耗；在開始測距后通過HY－SRF05進(jìn)行測距、DS18b20進(jìn)行測溫并把兩者數(shù)據(jù)通過溫度補(bǔ)償算法算出補(bǔ)償后更加準(zhǔn)確的距離，通過HC－SR501檢測車尾附近有無生命物出現(xiàn)并產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)，把溫度、距離、有無生命物信號(hào)通過射頻模塊發(fā)送到射頻模塊2，然后發(fā)送到MCU2處理。駕駛室終端上電后，NRF905進(jìn)入掉電模式，操作人員可以通過按鍵設(shè)置報(bào)警距離、報(bào)警方式和開始檢測指令發(fā)送操作等，駕駛室終端流程圖如圖7（b）所示。溫度補(bǔ)償后距離公式（2）

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software flow chart

式中：T——環(huán)境攝氏溫度，t——傳輸時(shí)間，S——距離。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種針對大型車輛的RFID無線射頻傳輸?shù)牡管囕o助系統(tǒng)，減少了車尾到駕駛室布線的麻煩而且使得駕駛室終端便于移動(dòng)，通過軟件設(shè)置射頻模塊不同工作模式的切換來降低系統(tǒng)的功耗。具有溫度補(bǔ)償、生命體檢測、安裝方便、功耗低、電路簡單、實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)，為駕駛員安全駕駛保駕護(hù)航，對倒車輔助系統(tǒng)的發(fā)展有一定參考價(jià)值。

本系統(tǒng)不足及解決方案：1）系統(tǒng)只是實(shí)驗(yàn)性的使用了一個(gè)超聲波測距傳感器，針對實(shí)際應(yīng)用中半掛車、掛車、重型載貨汽車和大型客車的盲區(qū)多、車尾面積大、倒車視野差的特點(diǎn)，可以采用多個(gè)超聲波傳感器，使其組成一條線或者構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)面來檢測車尾狀況；2）由于車輛后方情況復(fù)雜，只是使用無線測距相對來說比較單一，如果能集無線視頻監(jiān)測、超聲波測距、人體紅外檢測、自動(dòng)波車于一體，則將大大增加倒車的安全性、可靠性、靈活性。

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