技术文章 | 一种利用汽车灯光传递信号的装置

HASCO Vision Technology Co.,Ltd

编辑：李奕帆 井硕

指导老师：林燕丹

本文设计了一种能够通过安装在车辆上的光敏接收设备接收周围的高频车灯信号，通过对接收到的信号进行检测和分析，来获取周围车辆传递的信号，同时，这种系统能够通过安装在车辆上的高频车灯信号，向其他车辆发送信号。通过这种信号互联的机制，能够对周围车辆的行驶状态以及车辆状态信息进行判断，从而能够提高行驶安全性，有效降低潜在的交通事故。

为了解决现有技术方案所存在的问题，同时结合我们公司在车灯技术上的优势，我们设计了一种能够传递信号的汽车车灯设计方法，以便能够实现前后车辆的信号传递以达到即时通讯的目的。利用这些信号能够有效的对潜在危险的状况进行判断，从而提高车辆行驶的安全性。

A.分层设计

在设计的过程中，采用分层的设计方法（如图1所示），将系统按照技术各层次分为软件协议层（L1），信号协议层（L2）和物理协议层（L3）。软件协议层（L1）负责对系统需要发送和接收的数据进行校验编码和解码，其中含有校验编码器（L1A）和校验解码器（L1B）。校验编码器（L1A）通过对系统需要发送的信号数据进行计算，得到校验码，并将校验码加入数字串的尾部。

图1. 能够传递数字信号的车灯设备的协议层结构

信号协议层（L2）负责对软件协议层（L1）产生的数据包按照协议规定实现数据包信号与基本灯光信号进行组合编码，信号协议层（L2）的数据包由信号发送器（L2A），基本灯光发生器（L2B），数据信号发生器（L2C）和数据包信号接收器（L2D）组成，其中，数据包信号发送端（L2A），基本灯光发生器（L2B）和数据信号发生器（L2C）用于完成信号的发送，数据包信号接收器（L2D）用于完成信号的接收。

物理协议层（L3）定义和实现本发明中数字信号与光信号的相互转化方式，物理协议层（L3）由发送端的信号调制器（L3A），灯光产生器（L3B）和接收端的灯光信号接收器（L3D）和信号解调器（L3C）组成。

B.灯光信号的电压与时序解析

灯光信号的电压与时序解析如图2所示，本次设计对信号协议层（L2）产生光信号规定电压和时序规范，包括信号低电平电压（S1），基准亮度校准起始周期（S2），信号发送周期（S3），基准亮度校准结束周期（S4），载波电压（S5），信号高电平电压（S6）和灯光有效周期（S7），规定的电压和时序规范的工作关系为：

在灯光有效周期（S7）上升沿产生后，系统将产生基准亮度校准起始周期（S2）时长的载波亮度（S5），之后，系统将按照由数据信号发生器（L2C）产生的二进制数据信号，其中，数据信号1的亮度为信号高电平亮度（S6），与之相对应的是高电平对应的PWM波形（S11），数据信号0的亮度为信号低电平亮度（S1），与之对应的是低电平对应PWM波形（S12），经过信号发送周期（S3）的时间长度后，数据信号发送完毕，系统开始发送时长为基准亮度校准结束周期（S4）的载波亮度（S5）。

图2.灯光信号的电压与时序解析

C.信号的发送过程

图3. 信号编码成灯光的过程

信号的发送过程如图3所示，信号协议层（L2）中的数据信号发生器（L2C）将等待由基本灯光发生器（L2B）产生的上升沿信号，当收到上升沿信号后，数据信号发生器（L2C）根据由数据包信号发送器（L2A）产生的数据包，产生数据信号波形（D1）, 将数据信号波形（D1）和基本灯光信号波形（D2）相结合，经由信号调制器（L3A）依据图2中定义的信号亮度和时序规范，产生调制模拟亮度信号（D3），再将调制模拟亮度信号（D3）转化为调制PWM信号（D4），调制PWM信号（D4）经过LED电压驱动器（D5）驱动LED，产生灯光的光亮信号（D6），以光亮的形式发射到空气介质中。

D.信号的接收过程

图4. 信号由灯光中解码的过程

信号的接收过程如图4所示，通过灯光信号接收器（L3D）中的光敏传感器接收到由发送器发送出的灯光的光亮信号（D6）。图4为接收到的模拟信号示意图。经过滤波器滤波模块对信号进行滤波后，将对光敏传感器模拟信号（R2）去除信号中的毛刺，得到滤波后信号（R3），在对滤波后信号（R3）进行模数转换得到模数转换器获取信号（R4），通过对起始基准亮度校准起始周期（S2）时长内的电平进行采样平均，得到基准信号（R5），将模数转换器获取信号（R4）和基准信号（R5）输入到信号比较器（R6）中进行信号比较，得到数字信号（R7）。

E.系统的硬件结构

图5. 系统硬件结构图

一种能够传递数字信号的新型车灯，硬件系统包括：车灯灯光发送设备（E1）和车灯灯光接收设备（E2），如图5所示。

其中车灯灯光发送设备（E1）是由总线数据接收器（E1A），发送端微控制器（E1B），车灯驱动器（E1C）和车灯（E1D）组成：

总线数据接收器（E1A）负责接收车辆总线上的车辆状态信息，具体的实现方案是将车辆状态信息接收到并发送给发送端微控制器（E1B），由发送端微控制器（E1B）对这些状态信息进行打包发送。

发送端微控制器（E1B）实现了发送端的软件协议层（L1）和信号协议层（L2），具体的实现方案是将接收到由总线数据接收器（E1A）发来的车辆状态信息依照软件协议和信号协议进行协议编码处理，并将编码后的数据发送到车灯驱动器（E1C），由车灯驱动器（E1C）驱动车灯的亮度；

车灯驱动器（E1C）实现了发送端的物理协议层（L3），具体的实现方案是将接收到的由发送端微控制器（E1B）发送来的数据对车灯（E1D）进行驱动；

车灯（E1D）实现了在传统车灯照明作用的基础上，实现了通过车灯亮度的亮度差别将需要发送的数据包含在车灯灯光里；

车灯灯光接收设备（E2）是由镜头（E2C），光感模块（E2B）和接收端微控制器（E2A）组成：

镜头（E2C）的作用是将外界一定范围内的光线进行聚焦处理，将焦点控制在光敏传感器（E2B）上；

光感模块（E2B）接收由镜头（E2C）聚焦后的光线，对光线以一定的频率进行采样，并对采样后的电压信号进行运算放大，运算放大原理电路如图7所示，并将放大后的电压信号发送给接收端微控制器（E2A）的AD采集端口；

接收端微控制器（E2A）通过AD采集端口采集来自光感模块（E2B）发来的电压信号，采集到的电压如图5所示，接收端微控制器（E2A）通过信号处理的方式，对采集信号进行处理，得到最终的数字信号，其具体实现的技术方案为：

根据图2所定义的灯光信号的电压和时序规范，接收端微控制器（E2A）将检测到的上升沿信号与阈值进行比较，当大于阈值时，判断为灯光有效周期（S7）开始，根据协议所规定的基准亮度校准起始周期（S2），计算采集电压在这段时间内的平均值，作为载波电压（S5），将之后的采样值与载波电压（S5）进行比较，大于一定阈值的判断为信号高电平，小于一定阈值的判断为信号低电平，数字信号的采样所经历的总时间为协议里所规定的信号发送周期（S3），等到采样时间到达信号发送周期（S3）的时长后，采集基准亮度校准周期（S4）时长内的电压平均值，将该值与载波电压（S5）进行比较，如果相等，则此次采样物理层有效，如果不相等，则此次采样物理层无效。如果此次采样物理层有效后，在信号发送周期（S3）内采样得到的信号数据（S9）和校验数据（S10），接收端微控制器（E2A）通过利用公式1和公式2的计算进行判断，如果信号数据（S9）的计算结果等于校验数据（S10），则此次采样信号层有效，如果不相等，则此次采样信号层无效，接收端微控制器（E2A）在一个灯光有效周期（S7）内采样得到的数据，如果物理层和信号层均有效，则此次采样成功，则本次数据收发成功。

为了更清楚地说明本发明，下面将清楚、完整地描述该设备的应用案例。

A.实施案例一：该设备的安装方式

图6. 设备在汽车上的安装实施例

为了描述简洁，只描述了实时本发明所需用到的核心设备，其核心设备分别对应实现本设计传递数字信号的新型车灯设备的系统硬件结构图中的车灯灯光发射设备（E1）和车灯灯光接收设备（E2），如图6，将车灯灯光接收设备集成在A车的头灯里，将车灯灯光发射设备集成B车等尾灯里，并将车灯灯光发射设备挂接到车辆总线上并设定好需要发送的数据，如车速数据，制动踏板数据和油门数据等，当A车行驶到B车的后方时，由于A车头灯中的车灯灯光接收设备中的镜头对准了B车尾灯中的车灯灯光发射设备，则A车能够接收到由B车发来的数据，如车速数据，制动踏板数据和油门数据等。

B.实施例二：该设备在碰撞辅助刹车中的应用

如图6所示，在B车中的车灯灯光发射设备中设定需要发送的数据包括车辆的车速，车辆的GPS定位坐标，并由B车中的车灯灯光发射设备发送出去，当A车接收到由B车发来的车速和车辆的GPS定位坐标，通过与自身的车速和自身的GPS定位坐标进行比对计算，计算公式如下：

当小于2秒时，表明存在潜在的碰撞危险，则A车开始给制动系统充油，当小于1秒时，表明碰撞危险进一步提高，如不采取制动措施碰撞将会发生，则控制制动踏板采取制动措施。

本次设计的积极效果在于：车灯作为驾驶员在行驶过程中进行驾驶行为交互的一个重要设备，经过本发明的设计，使其不仅能够用于像传统意义上的照明功能和主观传递驾驶员意图的功能，同时也能够实现数字信息的传递功能，这样就能够将驾驶员以及车辆以数字这种可量化的信息来进行信息交互，因此能够有效的实现车辆之间的通信，而这些通信信息能够使计算机更加准确的判断在其驾驶环境周围的车辆的状态，再根据本车自身的状态，计算出车与车之间的相对关系，从而能够精确的对驾驶安全进行判断，提高驾驶安全性，该发明也有助于实现车联网，为智能交通以及网络化交通提供有效的设备支持。

文章转载自IFAL公众号