孫 根，張 磊，吳 肖，邵燁平

（徐州工程學(xué)院 江蘇 徐州 221008）

近年來，隨著人們生活水平的提高和電子技術(shù)的快速發(fā)展，汽車已逐漸走進人們的生活，汽車電子化也已成為一種趨勢。鑒于全球定位系統(tǒng)（GPS）能夠?qū)崟r方便、精準(zhǔn)的提供經(jīng)緯度、時間、速度等信息的優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于汽車的監(jiān)控、導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域。本文研究重點是利用ZigBee無線技術(shù)來傳輸發(fā)生交通事故的車輛向周圍車輛發(fā)出的警示信息。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

為了對連環(huán)追尾的惡性交通事故進行預(yù)防，設(shè)計一款以ATmega128單片機為主控芯片的交通事故警示裝置，該裝置由GPS模塊、無線收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、語音警示模塊、GSM模塊、ATmega128單片機最小系統(tǒng)模塊等幾部分組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

2 硬件部分設(shè)計

2.1 ZigBee無線傳輸模塊設(shè)計

無線傳輸模塊是報警信號收發(fā)的基本單元,信號的的穩(wěn)定傳輸是整個系統(tǒng)可靠性的基本保證，ZigBee無線收發(fā)模塊通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，從傳輸功能上看，無線收發(fā)模塊要進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對采集到的信息據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時傳輸?shù)接脩羰殖诌b控器。目前收發(fā)模塊的軟硬件技術(shù)是ZigBee無線傳輸研究的重點。本系統(tǒng)無線傳輸模塊由微處理器、無線收發(fā)芯片及天線等部分組成（如圖2所示），微處理器通過SPI總線和一些離散控制信號與RF收發(fā)器相連[1]。微處理器充當(dāng)SPI主器件而RF收發(fā)器充當(dāng)從器件?？刂破鲗崿F(xiàn)了IEEE 802.15.4MAC層和ZigBee協(xié)議層。它還包含了特定應(yīng)用的邏輯，它使用SPI總線與RF收發(fā)器交互。這里所采用的無線收發(fā)芯片是一個帶有所需外部元件的RF（射頻）收發(fā)器,如Chipcon公司推出的CC2420。

圖2 無線傳輸模塊Fig.2 wireless transmissionmodule

天線接收的射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器和I/Q下變頻處理后，中頻信號只有2 MHz,此混合I/O信號經(jīng)過濾波、放大、AD變換、自動增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。

發(fā)射機部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中,頭幀和起始幀是通過硬件自動產(chǎn)生的。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到DA變換器[2]。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調(diào)制到2.4 GHz，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。

2.2 Amega128單片機最小系統(tǒng)模塊

本系統(tǒng)使用8位低功耗微處理器ATmega128L，相對于其他通用的8位微控制器來說，它具有更加豐富的資源，并且具有極低的能耗。它具有片內(nèi)128K字節(jié)的程序存儲器（Flash），4K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（SRAM，可外擴到 64K）和 4K字節(jié)的E2PROM。此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作。8個PWM通道、可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器。UART、SPI、I2C總線接口。JTAG口為開發(fā)和調(diào)試提供了方便的接口[2]。更值得一提的是，除了正常操作模式外，它還具有六種不同等級的低能耗操作模式，在每種低能耗模式下具有不同的能耗[3]。因此該微處理器非常適合于ZigBee無線傳輸模塊這種需要低能耗的應(yīng)用場合。

2.3 語音模塊設(shè)計

ATmega128單片機作為主控制器，ISD4004語音模塊作為語音播放的執(zhí)行裝置，單片機采用SPI總線對語音芯片進行控制。事先通過麥克風(fēng)或上位機軟件在語音芯片ISD4004中將需要播放的語音錄入，在ATmega128單片機的內(nèi)存中記錄下各段語音的首地址和語音總量，在控制播放時，通過單片機向ISD4004芯片發(fā)送相應(yīng)的地址控制指令，從而實現(xiàn)任意段語音的播放。

ISD4004語音芯片是美國ISD公司的ISD4000系列的一種，被廣泛的應(yīng)用于系統(tǒng)語音提示、自動應(yīng)答系統(tǒng)、語音記錄及語言玩具等方面。ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陣列。單片機采用SPI總線控制ISD4004，在單片機的EEPROM中記錄各段語音的首地址和語音的總數(shù)，ISD4004芯片的存儲器分為2400行，進行尋址時一行一行的進行。ISD4004芯片的行地址時鐘信號為200 ms，其包含175ms的高電平和25 ms的低電平，無論是在錄音或播放時，都從200ms的行首地址開始的，因此利用單片機的計數(shù)器功能，對行地址的信號進行計數(shù)，即可得到各段語音的時長，記錄下各段語音數(shù)據(jù)在ISD4004中的首地址，實現(xiàn)對語音芯片的控制[4]。

2.4 GSM模塊設(shè)計

GSM（全球移動通信系統(tǒng)）具有網(wǎng)絡(luò)容量大、手機號碼資源豐富、穩(wěn)定性強不易受干擾、信息靈敏、通話死角少、手機耗電量低等優(yōu)點，目前已經(jīng)非常普及，在實現(xiàn)遠程傳輸時無須再構(gòu)建一個GSM網(wǎng)絡(luò)，而只需直接連接一個GSM發(fā)射和接收模塊，就可以實現(xiàn)遠程控制，圖3為GSM遠程遙控系統(tǒng)原理圖。

本系統(tǒng)選用的GSM短信模塊為西門子公司生產(chǎn)的TC35i，集成了SIM卡接口和RS232接口，可通過計算機AT指令對其進行調(diào)試和設(shè)置。單片機通過UART串行接口對GSM短信模塊進行直接控制，利用AT指令控制GSM將數(shù)據(jù)傳送出去，AT指令按照GSM模塊的AT指令格式書寫，通過串口發(fā)送出去[5]。GSM模塊接收到串口發(fā)送過來的指令后對單片機作出相應(yīng)的應(yīng)答，最終實現(xiàn)短信發(fā)送。

圖3 GSM遠程遙控系統(tǒng)原理圖Fig.3 GSM remote control system s

2.5 GPS模塊設(shè)計

GPS可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的定位和導(dǎo)航，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。GPS接收模塊將收到的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的信息后，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理送到電平轉(zhuǎn)換電路再由MAX232轉(zhuǎn)壓芯片進行RS-232—TTL的電平轉(zhuǎn)換，而后發(fā)送到單片機串口接收，當(dāng)單片機收到GPS發(fā)送過來的導(dǎo)航信息后，經(jīng)過單片機內(nèi)部程序的選擇，將地理位置信息發(fā)送到GSM中去，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

GPS通過串口與單片機相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，在本設(shè)計中由于GSM模塊，GPS模塊都要用到串行端口。作為單片機與串行設(shè)備的之間的數(shù)據(jù)傳輸，而ATmega16單片機只有一對串行端口，端口使用出現(xiàn)沖突。為了解決該問題，對單片機串行端口進行擴展，實現(xiàn)單片機的一個串口分時復(fù)用[6]。

2.6 LCD12864液晶顯示模塊

為了顯示事故車輛的準(zhǔn)確地點，本系統(tǒng)設(shè)計了LCD12864液晶顯示模塊[6]。LCD12864液晶顯示屏可以顯示漢字、大小寫字母、其他各種符號等，滿足設(shè)計要求。本設(shè)計中，利用ATmega128單片機來控制LCD12864，其中PC口作為并行數(shù)據(jù)口使用，向LCD12864并行串口傳送數(shù)據(jù)。PF口作為控制片選、讀寫、復(fù)位、串并數(shù)據(jù)傳送方式選擇使用。

3 軟件設(shè)計

軟件開發(fā)以WinAVR、AVRStudio 4為開發(fā)平臺，采用C語言編寫。在無線傳輸設(shè)置時，使用Chipcon公司提供的開發(fā)套件，該套件包括各種高性能的ZigBee軟件工具,如網(wǎng)絡(luò)設(shè)置器、協(xié)議追蹤調(diào)試工具等。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計的交通事故警示裝置具有如下特點：1）對出事故車輛進行準(zhǔn)確定位；2）出事車輛能夠自動向急救中心發(fā)出求助信息；3）接收端能夠進行語音警示；4）在接收端準(zhǔn)確顯示出事車輛地點。該裝置工作穩(wěn)定可靠，成本低廉，適合廣大駕駛?cè)藛T使用。

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