基于VLC技术的车辆安全预警系统

刘定策，茹超超，段锦鹏

（1.河南理工大学 电气工程与自动化学院，焦作，454100；2.河南理工大学 物理与电子信息学院，焦作454100）

长期以来，交通驾驶员之间的沟通方式只是简单地闪灯或鸣笛，不仅表达信息量少而且不方便、不安全。

目前，可见光无线通信VLC 技术在国内外的研究领域非常广，而且投入也在日益增加。国内的主流LED 厂商均对可见光技术开展了相关研发，但尚未有一家能够实现规模化量产，大部分企业仍处于试验、评估或者小规模试产阶段。多数LED 大厂的可见光技术项目尚处于密切观望状态[1-3]。

根据全球第二大市场研究机构Markets and Markets 最新研究显示，可见光通信市场预计将从2017年13 亿美元增长到2022年149.1 亿美元，复合年增长率CAGR（compound annual growth rate）将达62.9%[4-5]。推动这一增长的主要因素是相比其他竞争技术，可见光通信技术具有：更快和更安全的数据传输；射频频谱带宽紧缩；无带宽限制，能耗少；更环保、更清洁、更安全。2014年日本Takaya 研发汽车间可见光通信系统，速率达到10 Mb/s，发射端为LED 阵列，接收端为图像传感器[6]。2015年，美国Target 在其店面安装VLC 定位导航系统；法国家乐福利用飞利浦VLC-LED 灯具在大型卖场启用室内可见光导航系统。国内从研发首套可见光通信系统起步，应用转化主要集中在2013—2016年，如2013年的光子支付系统及光子支付解决方案[7-8]。在此将可见光通信技术用于汽车安全领域，设计了车辆安全预警系统，可使司机之间直接对话交流，方便可靠。

1 总体设计方案

基于可见光通信技术的车辆安全预警系统以DSP 处理器为核心，利用可见光进行通信，使用LED 作为信号的发射源，用强度不同表征信号，并把其加载到LED 发光器件上，通过LED 灯的明暗闪烁来传递所需要的信息。App 音频输入后，经DSP处理器处理将音频信号转换为电信号，并将其加载到LED 灯上实现信号发送，指定方向的车辆在收到光信号后，经过处理器处理后最终以音频信号的传达发送方车辆所要传达的音频信息。其总体工作流程如图1所示。

图1 系统的总体流程Fig.1 Overall flow chart of the system

2 硬件系统设计

2.1 发送模块设计

LED 可见光无线通信系统发射模块主要由LED 驱动电路、音频输入模块、电源模块构成。LED驱动电路前级有音频输入，主要作为信号源信号输入接口使用，在此使用手机App 作为主要的音频信号源。通过LED 驱动电路将信号加载到发光二极管LED 上，通过LED 的闪烁将信号发送出去。LED 驱动电路如图2所示。

图2 LED 驱动模块电路Fig.2 LED driver module circuit

录音电路选用的芯片采用TI 制造的NE5532运算放大器，该芯片具有以下优点：性价比高，价格相对比较低廉；保真度高；较高的小信号带宽；电源电压范围大[9]。

2.2 电源模块设计

由于LED 车灯的工作电压为12 V，而驱动NE5532 只需+5 V 电压配合反压芯片即可，因此电源设计时需将+12 V 转换成+5 V。在元件选取上，选用ams1117-5.0 芯片进行12 V 转+5 V 电路的设计。ams1117-5.0 芯片输出电压稳定，体积小，误差值不超过±1.3 V，可以用于将12 V 电压转成5 V 电压。12 V 转5 V 电源电路如图3所示。

图3 12 V 转5 V 电源电路Fig.3 12 V to 5 V power supply circuit

在此采用LM2596 芯片进行5 V 转3.3 V 电路的设计。LM2596 开关稳压芯片，输出电压稳定，体积小，可以稳定地用于该电压转换。5 V 转3.3 V 电路如图4所示，主要由LM2596 芯片及相关电容组合而成。其中，输入5 V 电压接LM2596 的脚1，电容C19、C20、C21实现滤波功能；D4为发光二极管，用于提示通电状态；LM2596 的脚2 输出3.3 V 电压，电容C22、C23、C24起滤波作用。

图4 5 V 转3.3 V 电路Fig.4 5 V to 3.3 V circuit

2.3 接收模块电路设计

该系统接收模块部分的硬件主要由光电检测模块、信号处理模块、处理器模块、电源模块等组成。

在光电检测模块中，使用光电检测器来获取带有数据信息的可见光信号，通过光电转换的方法把数据信息的光信号转换成带有数据信息的模拟电信号，采用运算放大器对电信号进行放大，放大后的电信号经过信号处理模块，利用模数转换功能将模拟信号转换成数字信号，完成转换的数字信号立即通过McBSP 送至处理器F28335 中进行处理。光电检测模块电路如图5所示。

2.4 信号处理模块设计

光信号通过光电检测器由光信号转换成电信号，然后经过前置放大模块的放大，由微弱信号变成较强的信号。但是这些信号均为模拟信号，要将其输入到处理器F28335 中进行处理，就必须把模拟信号转换成数字信号。

设计中采用TLV320AIC23 作为音频信号处理的芯片。AIC23 是TI 公司推出的一款高性能立体声音频芯片，内置耳机或者扬声器输出放大器，可以为外界提供2 种输入方式MIC 和LINEIN，使用时这2 种方式不可同时启用，在输入和输出2 个方向上都具有可编程增益调节功能。AIC23 的内部运用特殊技术高密度集成了模数转换（ADCs）和数模转换（DACs）部件。该芯片具有非常低的能耗，在同类产品中属于佼佼者，录放模式下功率仅为23 mW，工作电压为单电源3.3 V[11-13]。TLV320AIC23 外围连接电路如图6所示。

图5 光电检测模块电路Fig.5 Photoelectric detection module circuit

图6 TLV320AIC23 外围连接电路Fig.6 Peripheral connection circuit of TLV320AIC23

3 软件系统设计

通信双方一方面等待自己方面音频信号输入，一方面准备输出对方发来的信号。通过McBSP 方式F28335 的发送时钟信号口（MCLKXA）和AIC23 的接口时钟信号BCLK 相连，系统时钟由F28335 提供；F28335 的发送串行数据口（MDXA）和接收串行数据口（MDRA） 分别与AIC23 的数据输入口DIN和数据输出口DOUT 相连；F28335 的发送帧同步口（MFSXA）和接收帧同步口（MFSRA）分别于AIC23的数字音频DAC 帧信号接口（LRCIN）和数字音频ADC 帧信号（LRCOUT）相连。系统的整体程序流程如图7所示。

图7 系统的整体程序流程Fig.7 Flow chart of whole system program

4 性能测试与评估分析

在信号接收模块中，通过PD 接收光信号，将其送入音频信号处理模块AIC23 中，先进行AD 转换，转化后的信号传至F28335 进行相应处理，随后送回AIC23 进行DA 转换，并在最后送至扬声器或者耳机进行放音处理。这一段信号处理部分效果的好坏直接影响输出声音的质量。为此，对装置中该部分的性能进行测试，即对输入、输出该部分的信号波形进行比对。输入、输出音频信号波形如图8所示。

图8 输入、输出音频信号波形Fig.8 Input and output audio signal waveform

由图可见，经由AIC23 接收的信号与由F28335处理后经由AIC23 输出的波形一致。对比结果表明该通讯装置传输音频时具有较高的准确性。

5 结语

针对目前传统的汽车驾驶员之间交流不便，容易造成交通事故的现状，设计了基于可见光通信技术的车辆安全预警系统。该装置丰富了传统的“汽车灯语”，通过建立可见光通信模型使汽车司机在超车、转弯、会车、变道等多种情况下及时交流避免交通事故发生，同时在发生拥堵及紧急车辆需要让行时可以通过车辆间接力式传递方式，实现指定方向远距离交流，缓解拥堵现象，营造文明的交通氛围。试验表明，它几乎不受天气影响，可大大提高传输效率，保证驾驶员间互动的有效性，在极端天气下由于现代LED 车灯的穿透性较强，所以对于驾驶员间互动影响较小。其次，LED 光源发出的光线较为集中，可以有效避免光通路以外的外界干扰，且可见光无线通信无电磁干扰影响，对无线电频率不产生重叠，适用于各种环境。该系统操作简单方便，实用性强，具有很高的市场推广价值。