基于扩频通信的车载路况提示系统

摘要

随着汽车工业越来越紧密的贴近人们的生活，技术也愈来愈先进，车载控制系统、GPS、车载收音机以及车载蓝牙等电子设备已经成为一辆车的标准配置。路况信息和汽车电子系统的结合近几年也开始向实际应用发展，车载系统大多是嵌入式系统，它们各自有特定的功能，包括监视、辅助等。嵌入式系统在弱电领域的应用广泛而且多样，嵌入式的概念里说明了它是为某种特定应用而设计的，本系统就是为路况提示而开发的系统。系统运用到了电子电路、计算机技术、信号处理、软件开发等学科知识，这些学科的发展，为路况提示系统的开发提供理论依据。
　　安全是每个司机驾驶时考虑的第一要素，观察行车环境和了解路况信息对安全驾驶来说至关重要，特别是对于车队行车，领头的驾驶员所发出的信息会影响整个车队的行车安全。目前来说车队大多使用对讲机来进行信息交流，但存在串台或者频带占用的情况，只要其中一台使用信道，那么其余对讲机就不能使用，是半双工的工作模式，这会影响头车播报路况和行车信息。针对这一问题，提出了基于扩频通信的路况提示系统，主要对山区行车和高速行车进行路况播报，除了提示路况信息，还能传输驾驶员命令与请求，最大可能涵盖行车过程中遇到的各种问题。系统以按键模式触发信息发送，免去单手掌握方向盘的不安全因素，也避免驾驶员注意力分散的情况。
　　路况提示系统采用LoRa扩频通信技术进行无线传输，LoRa技术标准于2013年发布，其应用目标直指物联网方案。LoRa不同于直接扩频系统和跳频系统需要插入伪随机码（PN码）来扩展频带，而是通过线性调频信号频率随时间变化的特点，将一个单一频率的信号扩展，使能量分散到更广泛的频段。而目前市面上的LoRa无线芯片大多采用SemTech公司提供的射频芯片，型号为SX1276和SX1278。所以本系统选用的无线传输模块是搭载了SX1278的AS62-DUT2模块。传输频率为免申请频率段410MHz-441MHz，，传输有效距离为3km，因为其超高的灵敏度和超强信噪比，信号抗干扰能力强于其他扩频通信。
　　本文所研究的是LoRa扩频技术在车载产品中的应用，以STM32为核心微处理器，完成了对系统的搭建。电路图的设计主要依靠电路设计软件AltiumDesigne10来完成，而软件设计与调试工作在KEIL MDK平台中完成。主要的研究工作如下:首先确定系统方案，采用无线方式传输数据，制定了外围模块。数据传输方面选择了数据传输模块AS62-DUT2，数据存储方面使用SD卡，同时开发板还外接一个语音播放模块用作语音提示。
　　其次，设计硬件模块与开发板的接口，数据传输模块通过串口与开发板上的MCU进行数据交换，MCU通过SPI通信模式连接SD卡。在接收端没有设置SD卡，接收端传输给发送端的信息会记录在发送端的SD卡中。而语音播放模块通过IO口扩展连接MCU，按键系统是MCU的IO口直接控制，都是低电平有效。整个系统的流程就是驾驶员根据行车环境选择模式，通过按键发送路况或者命令，这些信息通过串口传输到数据传输模块，由天线发送出去，接收端通过识别接收到的数据判断该将低电平传输给哪一个IO口，从而播放对应的语音提示。
　　最后是系统的软件设计工作，发送端与接收端的流程不同，其他包括系统模块初始化，实时时钟，DMA配置等。发送端硬件设置了SD卡，当中还要植入FATFS文件系统，避免难以记录有效数据位置和无法确定SD卡剩余空间。主程序主要完成数据发送和接收工作，发送数据通过按键识别来完成，接收端通过设置串口中断来实现数据接收。只是接收端的主流程里没有写入SD卡这一项。发送端发出的数据和接收端的请求都会通过SPI接口写入SD卡，以当日的日期为文件名，记录当天的数据发送与接收的信息。
　　测试结果表明，STM32丰富的外设使系统设计简便，通过软件设置，实现了在“高速模式”下的数据接收和发送功能，并成功的将发送端的发出的信息写入到SD卡中。测试过程中发送端与接收端相距3km以上，也验证了数据传输模块准确而高效的信息传输功能。由此表明，该系统具有广泛的实际应用意义，能为安全驾驶提供保障。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 扩频通信研究应用

1．2．1 军事领域中的扩频通信

1．2．2 民用领域中的扩频通信

1．2．3 LoRa扩频研究现状

1．3 车载路况系统研究现状

1．4 本课题研究主要内容

1．5 论文章节安排

第2章 扩频通信原理

2．1 基本原理分析

2．2 扩频通信特点

2．3．直接序列扩频系统

2．3．1 原理分析

2．3．2 发送端信号分析

2．3．2 接收端信号分析

2．3．3 性能分析

2．4 跳频扩频系统

2．4．1 原理分析

2．4．2 发送端信号分析

2．4．3 接收端信号分析

2．4．4 性能分析

2．5 LoRa扩频技术

2．5．1 线性扩频调制信号产生

2．5．2 线性扩频调制信号接收

2．5．3 LoRa技术特点

第3章 路况提示系统硬件设计

3．1 总体方案设计

3．2 STM32F103最小系统

3．3 按键电路

3．4 串口电路

3．5 数据传输模块设置

3．5．1 几种扩频通信芯片比较

3．5．2 AS62-DUT20扩频通信模块

3．5．3 数据传输模块工作参数设置

3．6 语音播放模块

3．7 SD卡存储

3．8 USB转串口电路

第4章 系统软件设计

4．1 主控系统程序设计

4．1．1 IO口配置

4．1．2 定时器设置

4．1．3 DMA作用

4．1．4 实时时钟设置

4．2 按键扫描

4．3 数据发送与接收

4．3．1 数据发送

4．3．2 数据接收

4．3．3 数据传输格式

4．4 通信数据存储程序设计

4．4．1 SD卡读写

4．4．2 文件系统移植

5．1 测试过程

5．2 测试结果

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果