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摘要：  當今汽車在公路或高速公路行駛中安全已成為制造業(yè)商、駕駛人員及管理機構等相關的社會各界極度關注的問題。其造成行駛事故的隱患應該說是諸多因素，有人為的也有是車用設備而至的。為預防車行駛中尤其是高速行駛超車中事故的發(fā)生，已有多種安全用的LED汽車尾燈照明系統(tǒng)和車前智能化遠光燈及危險超車報警系統(tǒng)等新型照明裝置。它們均是汽車行駛中預防事故發(fā)生的有效選擇，將受到人們的青睞。值此僅對安全用的LED汽車尾燈照明系統(tǒng)和基于攝像頭的車前遠光燈輔助控制系統(tǒng)及危險超車報警系統(tǒng)等三類新型照安全用汽車照明裝置的構建方案及應用問題作分析，并側重于對雙模式高亮度驅動器與視頻傳感器及網絡、激光傳感器等新技術的應用和感知狀況作研討。

關鍵字：  尾燈驅動器，  LED驅動器，  PWM信號發(fā)生器

1新型的尾燈驅動器的方案與特征

1.1方案設計思想 多數(shù)汽車的尾燈和剎車燈采用同一組LED，這就要求LED工作在兩個不同的亮度等級：剎車時處于全亮狀態(tài)，作為尾燈行駛燈時處于10%至25%滿亮度狀態(tài)(可調光)。調光方式最好選擇脈寬調節(jié)(PWM)，能夠在整個亮度范圍內保持LED的色譜。另外，采用內置200Hz振蕩電路的LED驅動器IC可以省去外部PWM信號發(fā)生器，簡化設計。尾(TAIL)燈可調節(jié)LED亮度和剎車(STOP)燈全亮狀態(tài)受控于LED驅動器的TAIL和STOP輸入。當尾端施加電壓時，尾燈LED驅動到滿亮度的10%至25%。當STOP端施加電壓時，LED驅動至滿亮度狀態(tài)(無論TAIL端輸入處于何種狀態(tài))。為此用MAX16804高亮度LED (HB LED)驅動器，它具有一個雙模式DIM引腳，并且內置200Hz振蕩電路，可以省去外部PWM信號發(fā)生器，簡化驅動器的設計。

1.2尾燈驅動器的架構 用于汽車尾燈(STOP和TAIL模式)的LED驅動器可以簡單地利用線性LED驅動器IC MAX16804來實現(xiàn)，只需極少的外部元件。請參見驅動器架構電路圖(見圖1所示)和PCB布板(圖2)。流過LED的最大電流由R3或R4設置，受控于J1的連接方式，亮度由PWM信號控制，在IC內部實現(xiàn)該功能。驅動器IC產生200Hz的LED電流調節(jié)信號，占空比取決于亮度控制輸入端(DIM)端的電壓，例如：DIM端電壓為0.78V時，尾燈亮度設置在滿亮度的20%。STOP和TAIL輸入通過二級管D1、D2連接到IN引腳。IC可以通過任何一個輸入端供電，輸入之間不會相互影響。D1和D2還可以在汽車電源總線出現(xiàn)尖峰電壓時提供電壓反向保護。電容C4和C3可以旁路STOP電源線上的任何噪聲，為DIM引腳提供保護。

1.3為何要選用MAX16804作為LED尾燈驅動器

這取決于它獨持特的性能。MAX16804是高壓、350mA、高亮度LED驅動器，內置200Hz三角波發(fā)生器，可提供模擬及PWM調光控制，無需μC提供PWM亮度調節(jié)，由此簡化了LED照明設計，外部元件數(shù)最少，可有效降低成本、減小系統(tǒng)尺寸。

具體應用特征為：MAX16804電流調節(jié)器可工作在5.5V至40V輸入電壓范圍內，提供35mA至350mA電流來驅動一串或多串高亮度LED (HB LED)。MAX16804輸出電流的大小通過一個與LED串聯(lián)的外部檢流電阻來調節(jié)。雙模式DIM引腳和片上200Hz斜坡發(fā)生器使用模擬或PWM控制信號來實現(xiàn)PWM亮度調節(jié)(見圖2(a)(b)所示)。給亮度控制輸入端DIM施加模擬控制信號允許實現(xiàn)“劇院(theater)”式亮度控制效果。快速的開通/關閉時間允許使用寬范圍的PWM工作，波形整形電路可以使EMI最小化。差分電流檢測輸入提高了LED電流精度和噪聲抑制能力。MAX16804非常適合要求高壓輸入的應用，并能夠承受高達45V的汽車拋負載事件。片上調整元件大大減少了外部元件數(shù)目，并提供3%的輸出電流精度。該器件還提供5V穩(wěn)壓輸出以及短路保護和熱保護等特性?？山邮胀獠縋WM信號(高達2kHz)，5.5V至40V工作電壓范圍，3% LED電流精度，內置調整元件及低壓差(典型值0.5V)， 額外的片上+5V穩(wěn)壓輸出，具備2mA電流容量和差分LED電流檢測，其200mV低電流檢測基準降低了功耗。MAX16804采用小尺寸、熱增強型、5mm x 5mm、20引腳TQFN封裝，具備-40°C至+125°C工作溫度范圍。

*關于雙模式DIM引腳施加二種信號實現(xiàn)亮度控制的應用說明?？蓮膱D2(a)與圖2(b)所示可見。其圖2(a)為亮度控制輸入端DIM施加模擬控制信號應用示意圖，而圖2(b)為亮度控制輸入端DIM施加PWM控制信號應用示意圖。

*關于MAX16804功耗 MAX16804能夠耗散2.758W的功率，該應用中，STOP模式下功耗最大，按照公式計算最大功耗。

PMAX=(VIN-VLED)×350mA

其中，VIN為IN引腳的輸入電壓，VLED為LED串的正向導通電壓，350mA是通過跳線J1設置的最大LED電流。絕大部分器件功耗通過裸焊盤耗散掉，為了改善散熱，應將裸焊盤焊接在同等面積的電路板焊盤上，并使用多個過孔連接裸焊盤與地層的覆銅區(qū)域。注意：MAX16804評估板在25°C室溫環(huán)境下能夠耗散最大額定功率，當環(huán)境溫度較高時所能耗散的功率有所降低。為避免IC進入熱關斷狀態(tài)，高溫下應適當降低功耗?？上螺d(PDF)獲取電路板所采用的元件列表以及PCB布局圖。

*關于應用 由MAX16804特性可知，它在應用上可在以下二個方面成為最佳選擇：其一是汽車外部包含組合尾燈(RCL)、日間行駛燈(DRL)、自適應前車燈;其二是汽車內部包含地圖、頂燈、 門控車室照明燈。

1.4關于新型尾燈工作狀態(tài)說明

*行駛照明工作狀態(tài) 從圖1看出，TAIL輸入產生固定的0.78V電壓給DIM端(從+5V穩(wěn)壓輸出產生)，驅動器將該電壓轉換成20%的PWM占空比，進而調節(jié)LED電流。TAIL模式下的PWM占空比與TAIL端的輸入電壓無關，由電阻分壓器R1/R2設置TAIL模式下的DIM電壓。如果要求占空比設置不等于20%，可按照下式(1)計算相應的DIM電壓(VDIM)：

其中，D為所要求的占空比?？砂凑帐?選擇R1和R2，以滿足DIM電壓的要求：

其中，0.6V為二級管D2的正向導通電壓，5V為穩(wěn)壓器輸出，VDIM是所要求的DIM引腳電壓，以滿足PWM占空比的要求。為了避免由于DIM端輸入偏置電流的變化影響DIM電壓，R2選擇在20kΩ左右。

*剎車工作狀態(tài) 為了得到100%的占空比，DIM電壓需要設置在3.1V以上，STOP端作用輸入電壓時，DIM端通過D3獲得足夠的驅動電壓，確保100%的PWM占空比。此時，無論TAIL端輸入何種電壓，都將以350mA連續(xù)電流驅動LED。

*LED電流設置 MAX16804評估板電路可以通過跳線J1設置三種不同的電流(140mA、240mA或350mA)：如需不同的電流設置，可按照下式(3)計算檢流電阻(R3或R4)。

其中，0.198V為檢流電壓，IOUT為所要求的LED電流，單位為安培。

*上電順序 LED+接LED或LED串的陽極，LED-連接到LED或LED串的陰極;為了獲得350mA的LED電流，選擇連接J1的引腳1和2; STOP模式下，電源電壓連接在STOP(+)和GND(-)之間，電壓最小值為6V，比LED正向導通電壓至少高出1.4V; TAIL模式下，移掉STOP電源，將電源電壓連接在TAIL(+)和GND(-)之間。

2 基于攝像頭的車前遠光燈輔助控制系統(tǒng)

提供汽車前方交通空間的最佳照明，并且不對駕駛員和其他車輛產生干擾，是最重要的任務。如今已有遠光燈輔助系統(tǒng)、自適應明暗界線系統(tǒng)等防眩遠光燈用途的智能化遠光燈系統(tǒng)聞世或將聞世。

*基于攝像頭的遠光燈輔助控制系統(tǒng)

眾所周知，汽車前照燈的第一檔是遠光燈輔助系統(tǒng)，若能在汽車前照燈其中一側或另一側輔以側面視野，照明效果將更為理想。只有在采用更多智能化技術之后，這種系統(tǒng)才會變得舒適和可靠。因此現(xiàn)代化系統(tǒng)均采用攝像頭作為成像傳感器，并且利用性能強大的圖像處理軟件和先進的車燈技術來實現(xiàn)理想的效果。那就是基于攝像頭的遠光燈輔助控制系統(tǒng)(見圖3所示)，它能給于車道最佳照明，并且不干擾駕駛員和迎面而來的車輛。這相比之一，比那種并非其它車輛光源引起的眩光就采用近光燈和遠光燈之間急促更換的簡單系統(tǒng)來說其效果要理想得多。

其中自動調整燈光分布技術是一種具有自適應明暗界線系統(tǒng)，它是對基本上只能在兩種狀態(tài)之間轉換的遠光燈輔助系統(tǒng)的改進。自動調整燈光分布系統(tǒng)可連續(xù)、自動調整近光燈的光分布以及與前車和迎面來車之間的照明距離。它除了擁有圖像處理功能在內的攝像頭之外，還包括一個動態(tài)工作的車燈模塊。這種通過圖像數(shù)據(jù)控制的駕駛輔助系統(tǒng)能通過滾筒產生不同的光分布投射到車道上。可以將防眩大燈最大照明距離提高到200米。這對目前常見的近光燈照射距離止于車前大約65米處，能保證駕駛員有更遠的視野是十分必要的。

應用該自動調整燈光分布技術正在以新型投射模塊為基礎研制防眩遠光燈。該系統(tǒng)能在數(shù)毫秒之內通過步進電機使得位于光源和透鏡之間的滾筒進入所需的位置之中，由此可以有針對性地擋住遠光燈的某些區(qū)域，使駕駛員幾乎能夠持續(xù)使用遠光燈行駛。此外，該遠光燈還附帶反轉功能，即示寬燈，可利用攝像頭系統(tǒng)探測目標、路邊行人，還可進行輔助照明。

*大功率LED在遠光燈行駛技術與產品的應用

該項持續(xù)使用遠光燈行駛技術與產品除了用氙大燈模塊和大燈照射距離調節(jié)裝置之外，其大燈已用大功率LED，其因就在于大功率LED作為光源用于照明具有以下顯著優(yōu)點：節(jié)能，它會超過低壓鈉燈成為光效最高的光源;壽命長，產品壽命長達50000h;瞬時啟動特性和環(huán)保，無有害金屬汞。

3 基于視頻傳感器及網絡的防撞擊輔助系統(tǒng)的構建與應用

3.1問題的提出

當今由于三分之二的交通死亡事故都發(fā)生在公路或高速公路行駛中，其大多數(shù)是因超車失敗而造成的，因此那里就成為汽車安全行駛系統(tǒng)的主要應用區(qū)域。因此不少制造廠正在研發(fā)與照明相關的安全行駛裝置--全方位實時撿測的防撞擊輔助系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)應用了視頻環(huán)境傳感器和激光傳感器的等復雜技術，所以它除了在LCD屏幕上能及時識別危險的超車路徑外，還能防撞或躲避車道上突然出現(xiàn)的障礙物，并能實現(xiàn)對制動功能的及時干預。

特別令人欣慰的是該類新系統(tǒng)的出現(xiàn)，除了具有上述處理這種緊急情況的功能之外還能分析和化解具有迎面疾駛而來車輛的超車路徑。為了獲得汽車周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)實驗車輛故使用了視頻傳感器和激光測距傳感器及雷達傳感器。為此將其道路、草地、車輛、天空、灌木/森林、車道標記、建筑物以及其他構筑物均被建成模型。其中視頻傳感器及網絡應用是全方位實時撿測的防撞擊輔助系統(tǒng)中的新技術。值此本節(jié)側重于視頻傳感器理念與產品及實際感知應用狀況作說明。

3.2視頻傳感器及網絡的應用

*視頻傳感器新理念

視頻傳感器是一種描述了數(shù)字圖像分析技術。由于傳感器技術的快速發(fā)展，使我們能夠獲得成本低廉的圖像、視頻傳感器(如CMOS攝像頭)成為可能。對于視頻傳感器而言，我們的選擇可謂靈活多樣：無論是昂貴的相機、高分辨率數(shù)字相機，還是低廉的網絡相機、手機相機，甚至是成本更低廉的微型相機。

*可應于防撞擊輔助系統(tǒng)的新型視頻傳感器例舉

·日前新款支持電子穩(wěn)像(EIS)的1/3英寸原生全高清(HD) 1080p60視頻傳感器是一種有效選擇。該傳感器可支持所有高清視頻模式(1080p60、1080p30和720p60)，同時不會影響視野范圍，這對消費便攜式DV機、攝錄機、網絡攝像頭、體育攝影機和視頻會議攝影機等應用而言是一個巨大的優(yōu)勢。如全新AR0330型其功能完善，采用新型2.2微米像素設計以及創(chuàng)新的Aptina A-Pix像素技術(如Aptina A-Pix型)，能夠以60fps的速度流暢捕捉全高清視頻，具有卓越的微光性能以及超乎尋常的整體色彩和視頻質量。憑借3x3傳感器上像素合并模式，AR0330還支持WVGA，提供120fps和240fps的高速影像捕捉選項，并具有創(chuàng)新的慢鏡頭視頻功能。除了出色的數(shù)字攝影性能之外，AR0330還支持獨特的多長寬比格式，因此可捕捉3.2MP靜態(tài)圖像。此外AR0330它還支持多種串行接口規(guī)格，包括四通道HiSPi?和四通道MIPI?，使設計人員能夠更靈活地選擇圖像處理解決方案。

·新款OV9740 CMOS手機攝像頭傳感器，它支持720p視頻拍攝，但和以往不同的是，整個視頻和圖像處理工作由內置的芯片自行完成，更令人意外的是，包含了處理芯片的整套裝置的厚度不到3.2mm。

*激光測距傳感器應用

利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離。即：傳輸時間激光測距雖然原理簡單、結構簡單。

傳輸時間激光傳感器工作時，先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。傳輸時間激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間，因為光速太快。例如應用新型CM3-30高速激光測距傳感器就是一典例。它是由基于脈沖飛行時間高集成技術模塊構成。它的優(yōu)點是非接觸性、非干擾性，高速、精確、高分辨率和寬測量范圍，不需要特殊的反射鏡，尺寸小、重量輕、低耗能，是用于智能交通理想選擇。

*視頻傳感器與激光測距傳感器技術在防撞擊輔助系統(tǒng)中的感知應用狀況

憑借環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取和車輛數(shù)據(jù)就會生成對自身車輛和其他環(huán)境客體所期待的行駛路徑(軌跡)的預測。這樣就可以對干預的必要性做出決定并產生干預的指令，隨后干預將全自動進行。視頻數(shù)據(jù)起到發(fā)現(xiàn)汽車前物體和空間的作用。

而激光掃描儀以90毫秒的周期獲取汽車之前一個22.5°區(qū)域的數(shù)據(jù)(每1.5°掃描一次)，通過光脈沖時間的測量確定至下一個物體的距離，這種傳感器的典型應用領域稱之為激光測距，它屬自適應巡航控制。

視頻傳感器建立在一臺單色的CMOS圖像傳感器基礎之上，它每O.04秒提供一次數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)獲取的視域寬度為44°，0.07°的分辨率明顯優(yōu)于一般激光掃描儀。借助圖象處理算法可以在視頻圖象中識別出車輛尾部的正視圖和車道標記;然而無法進行直接的距離測量。而距離測量是通過基于高速激光測距傳感器的激光掃描儀以90毫秒的周期獲取汽車之前一個22.5°區(qū)域的數(shù)據(jù)(每1.5°掃描一次)，通過光脈沖時間的測量確定至下一個物體的距離，這種傳感器的典型應用領域稱之為激光測距，它屬自適應巡航控制。由此該類視頻傳感器與激光測距的典型應用可構成車道偏離警告裝置。

上述車道偏離警告裝置中車輛尾部的正視圖、車道標記這些信息可將與雷達數(shù)據(jù)在物體跟蹤和網格基礎上的環(huán)境表示中合并，即通過視頻數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)的合成產生汽車周圍環(huán)境的電子圖象并由此構成情最分析的基礎。該系統(tǒng)不斷計算自身、前方行駛和可能迎面駛來車輛的位置并確定安全超車的距離是否足夠。如果駛出行駛道時系統(tǒng)確定會對迎面駛來的或被超的車輛造成危險，就會對駕駛員以不斷增加的強度發(fā)出警告，以使他取消超車行為。

需要提醒的是防撞擊輔助系統(tǒng)還需有制動、轉向和組合轉向制動功能才能避免碰撞。那是為什么吶?這是因為：對干預決定來說需要計算，在至沖撞地點的何種距離上需要采取干預措施，才能阻止碰撞的發(fā)生;對一次制動來說需要計算制動距離。轉向時需要知道計劃的偏離路徑，只有這樣才能計算出需要提前多長距離轉向，以便不與“敵對的”物體碰撞。為此可通過光學的警告，即通過汽車儀表盤上的顯示產生。而聲學的警告通過語音警告以及借助主動動態(tài)油門的觸覺反饋產生。

上述危險超車報警系統(tǒng)在司機對危險警告沒有做出反應或對其忽視的危險的超車情況下，超車輔助系統(tǒng)可以使汽車緊急制動，即駕駛員在前車之后再次駛回車道，超車行為將被化解. 由此將基于視頻傳感器及網絡的防撞擊輔助系統(tǒng)稱之為實時感知的防撞擊輔助系統(tǒng)。

3.3基于視頻傳感器網絡構建的防撞擊輔助系統(tǒng)相繼應運而生。

*面臨新的挑戰(zhàn) 目前，傳感器網絡研究主要集中于在能量受限的傳感器節(jié)點上實現(xiàn)簡單的環(huán)境數(shù)據(jù)(如溫度、濕度、光強等)采集、處理與傳輸。然而，隨著監(jiān)測環(huán)境的日趨復雜多變，由這些傳統(tǒng)傳感器網絡所獲取的簡單數(shù)據(jù)愈加不能滿足人們對各類目標(活動物體，如車輛或障礙物等)的監(jiān)測的全面需求，迫切需要將數(shù)據(jù)量大、內容豐富的圖像、視頻等媒體引入到以傳感器網絡為基礎的對各類目標監(jiān)測活動中來，實現(xiàn)細粒度、精準信息的目標監(jiān)測。

*視頻傳感器網絡的架構 它是由一組具有計算、存儲和通信能力的視頻傳感器節(jié)點組成的分布式感知網絡。它借助于節(jié)點上視頻傳感器感知所在周邊目標(活動物體，如車輛)與環(huán)境的圖像、視頻信息，通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳到信息匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)全面而有效的各類目標的監(jiān)測，見圖4所示。它是一個典型的視頻傳感器網絡通常由視頻傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點(sink)和控制中心等構成。

其視頻傳感器節(jié)點散布在指定的感知區(qū)域內，其采集的數(shù)據(jù)沿著其它視頻傳感器節(jié)點逐跳傳送到匯聚節(jié)點，最后通過Internet網絡或通信衛(wèi)星到達控制中心。用戶通過控制中心對視頻傳感器網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由此基于視頻傳感器網絡構建的全天侯感知功能的防撞擊輔助系統(tǒng)將更可成為汽車行駛更安全更可靠的公共平臺。