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(北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442)

0 引言

盲人由于其視力缺陷，給日常生活和工作帶來(lái)諸多不便，總體生活質(zhì)量不高。隨著城市化進(jìn)程的加快，市政基礎(chǔ)設(shè)施盲道已無(wú)法滿足盲人出行的要求，導(dǎo)盲犬?dāng)?shù)量的短缺、訓(xùn)練和飼養(yǎng)價(jià)格的昂貴，讓多數(shù)的盲人望塵莫及。設(shè)計(jì)一款功能齊全、經(jīng)濟(jì)適用的導(dǎo)盲儀，是對(duì)弱勢(shì)群體的關(guān)愛(ài)，是社會(huì)精神文明的體現(xiàn)[1-2]。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)架

嵌入式智能導(dǎo)盲儀主要由TMS320F2812 DSP核心處理器單元、超聲波測(cè)距超聲波傳感器單元、溫度補(bǔ)償溫度傳感器單元、路面積水檢測(cè)微型水深傳感器單元、智能求助GSM通信單元、按鍵單元、語(yǔ)音實(shí)時(shí)播報(bào)語(yǔ)音模塊單元、CPLD邏輯譯碼單元、警戒燈單元、電源單元組成。系統(tǒng)的整體組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體組成框圖

嵌入式智能導(dǎo)盲儀主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

1)測(cè)距：采用TMS320F2812 DSP芯片作為中央處理器，利用超聲波原理測(cè)量超聲波傳感器到障礙物的距離(即盲人到障礙物的距離)，在超聲波測(cè)距中加入溫度補(bǔ)償功能，用測(cè)量的溫度值對(duì)超聲波測(cè)距公式進(jìn)行補(bǔ)償修正，有效避免了溫度差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)測(cè)量的精度；

2)智能求助：智能求助GSM通信單元通過(guò)串口與TMS320F2812 DSP芯片UART接口進(jìn)行通信，若盲人遇到危險(xiǎn)情況可通過(guò)按鍵進(jìn)行智能短信或電話報(bào)警求助[3-4]；

3)路面積水檢測(cè)：利用微型的水位傳感器對(duì)路面積水進(jìn)行信號(hào)采集，通過(guò)TMS320F2812 DSP芯片A/D轉(zhuǎn)換單元將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并利用公式計(jì)算出路面積水深度，路面積水信息由語(yǔ)音播報(bào)單元實(shí)時(shí)進(jìn)行播報(bào)，提示盲人避開(kāi)積水路段，音頻信號(hào)通過(guò)耳機(jī)接口進(jìn)行信號(hào)傳輸；

4)語(yǔ)音播報(bào)：語(yǔ)音播報(bào)單元采用高集成度的語(yǔ)音合成芯片XFS5152CE，XFS5152CE通過(guò)串口與TMS320F2812 DSP芯片UART接口實(shí)現(xiàn)硬件連接，盲人距前方障礙物的距離或路面積水信息均可通過(guò)語(yǔ)音芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)播報(bào)；

5)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)：利用超聲波測(cè)距單元溫度補(bǔ)償功能的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)當(dāng)前環(huán)境溫度的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)一鍵式語(yǔ)音實(shí)時(shí)播報(bào)[3-4]；

6)警戒燈：夜晚警戒燈單元由開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)盲人夜晚出行時(shí)，提醒社會(huì)各種車輛、或路人等進(jìn)行避讓。

闡述微型水深傳感器在嵌入智能導(dǎo)盲儀中的應(yīng)用，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP主控單元

DSP主控單元用于系統(tǒng)的整體控制，負(fù)責(zé)超聲波的發(fā)射、接收、算法實(shí)現(xiàn)、結(jié)果顯示等功能。

2.1.1 DSP主控芯片性能指標(biāo)

DSP處理器采用TI公司的TMS320F2812芯片，其主要性能指標(biāo)如下：

1)雙電壓供電(核電壓：1.8 V，IO口供電3.3 V)，為系統(tǒng)的低功耗實(shí)現(xiàn)可能；

2)最高工作頻率為150 MHz，提高了系統(tǒng)的處理速度；

3)內(nèi)置乘法器，加快了算法的運(yùn)算速度；

4)3個(gè)外部中斷，方便了測(cè)距儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件控制；

5)豐富的外設(shè)接口和大量的GPIO口；

6)內(nèi)置128 K×16 bit FLASH存儲(chǔ)器，方便程序的固化。

2.1.2 DSP主控電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

DSP主控電路在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮如下設(shè)置[1-2]：

1)輸入晶振的大小，因其最高工作頻率可達(dá)150 MHz，其最大倍頻為10倍頻，故選擇頻率為30 MHz，性能穩(wěn)定的有源晶振；

2)系統(tǒng)的復(fù)位引腳處理，一般加入外部硬件復(fù)位電路，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行外部強(qiáng)制復(fù)位；

3)MP/MC引腳的處理，此引腳用于選擇微處理器控制方式或微機(jī)算機(jī)控制方式，一般用跳線引出，可跳到高電平或低電平；

4)VDD3VFL引腳的處理，此引腳用于選擇FLASH的編程電壓，處理方法同3)；此引腳高電平時(shí)允許對(duì)FLASH編程，低電平時(shí)禁止；

5)標(biāo)準(zhǔn)的JTAG口，按芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)要求處理即可；

6)供電電壓的處理，采用核電壓(1.8 V供電)和IO口電壓(3.3 V)分開(kāi)供電；

7)數(shù)字地和模擬地分開(kāi)布線。

2.1.3 DSP主控電路硬件實(shí)現(xiàn)

DSP主控單元的硬件框圖如圖2所示，其中關(guān)鍵引腳處理電路主要包括MP/MC、VDD3VFL引腳的處理，硬件采用跳線控制其工作電壓。

圖2 DSP主控單元的硬件框圖

2.2 微型水深傳感器單元

微型水深傳感器采用CYY6，其由兩部分組成，即傳感器部分和信號(hào)調(diào)理部分。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)0～5 V或4～20 mA輸出，體積小、重量輕、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

2.2.1 主要性能參數(shù)

CYY6水位傳感器的主要性能參數(shù)如表1所示。

2.2.2 工作原理

CYY6傳感器部分以單晶硅為基體，按照特定晶面，根據(jù)受力形式分別加工成杯、梁、膜等形狀，采用集成電路工藝技術(shù)擴(kuò)散成4個(gè)等值電阻，組成一個(gè)惠斯登電橋，當(dāng)傳感器受力后，電橋失去平衡，輸出一個(gè)與壓力成比例的電信號(hào)。

電路調(diào)理部分采用0.5～4.5 VDC輸出形式，三線制模式，采用差動(dòng)輸入式儀表放大器進(jìn)行放大，具有穩(wěn)定性好，精度高，共模抑制比高，輸入阻抗高，抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)。

表1 CYY6水位傳感器性能參數(shù)表

2.2.3 微型水深傳感器電路硬件實(shí)現(xiàn)

微型水深傳感器采用三線制模式：電源線、地線、信號(hào)線。因微型水深傳感器后端已經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，故簡(jiǎn)化了DSP處理器與微型水深傳感器的硬件控制電路，利用DSP的A/D轉(zhuǎn)換器單元的AD輸入端進(jìn)行信號(hào)采用即可[5]。微型水深傳感器與DSP處理器硬件連接框圖如圖3所示。

圖3 CYY6與DSP處理器硬件連接框圖

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用CCS3.3，利用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件程序編寫，TMS320F2812 A/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換方式采用軟件程序觸發(fā)，系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用容器模擬不同水深，利用微型水深傳感器進(jìn)行水深測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 水深測(cè)量結(jié)果對(duì)比表

從表2的測(cè)量結(jié)果可以得出，微型水深傳感器測(cè)量水深誤差控制在-6%-0以內(nèi)，且誤差為負(fù)誤差，誤差產(chǎn)生的主要因素與微型水位傳感器本身性能指標(biāo)有關(guān)，其次與A/D轉(zhuǎn)換器的精度有關(guān)。因TMS320F2812處理器A/D轉(zhuǎn)換器最大采樣模擬電壓為+3.3 V，故嵌入式導(dǎo)盲儀中水深測(cè)量范圍為0～660 mm。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，微型水深傳感器在嵌入式智能導(dǎo)盲儀中應(yīng)用可行，測(cè)量精度高，加入路面積水檢測(cè)功能的導(dǎo)盲儀，能夠?yàn)槊と擞晏斐鲂刑峁┌踩Ｕ匣虮苊饷と顺鲂姓`入積水路段。微型水深傳感器工作穩(wěn)定可靠，其在導(dǎo)盲儀中的應(yīng)用具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值，不足之處是提高了導(dǎo)盲儀的造價(jià)。

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