电动汽车警示音系统

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传统内燃机车辆即使低速行驶也会发出发动机声音。通常,当车辆不在视线范围内时,行人和其他交通参与者通过视觉识别和对轮胎声音及传出的其他噪音的听觉识别来判断车辆的接近或离开。

所有电动车辆(EV)则不会发出发动机声音。以低速行驶时,在传统内燃机(ICE)启动之前,混合动力电动车(HEV)或插电式混合动力电动车(PHEV)几乎是无声无息地移动。当速度低于19 mph时,这些车辆发出的声响难以听到。在更高速度下,轮胎声音则成为主要声响。

全球管理机构正在研究立法,寻求为电力驱动模式下的PEV和HEV制定最低限度的声音水平,以便视障人士、行人和骑车人能听到这些车辆驶近,并确定这些车辆从哪个方向驶来。

美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)网站上可以找到这种立法的例子。

电动汽车警示音系统(EVWSS)产生一系列旨在提醒行人有EV、HEV和PHEV存在的声音。司机可以触发警示音(类似于汽车喇叭的声音,但不那么急迫)。但在低速时,声音必须能自动响起。声音有很多,从人造信号音到模仿发动机噪音和轮胎经过砾石的真实声音。

ADI公司提供两种不同解决方案,包括用于EV的车内发动机声音模拟以及外部发动机声音产生。高端应用方案基于ADSP-BF706开发。对于入门级应用,则基于ADAU1450 SigmaDSP®。这些解决方案可以合成声音并根据行驶速度调整频率、音量和其他参数,而且可以将音频发送到音频功率放大器。根据具体立法的要求,警示音可以利用内燃机声音或任何其他合成信号音来模拟。

基于Blackfin的解决方案

ADSP-BF706 Blackfin®处理器为音频处理和CAN总线接口提供单芯片解决方案。ADI公司开发了在ADSP-BF706上运行的CAN软件协议栈,使得用户能以极少的工作量构建汽车级演示(也可以使用Vector公司CAN协议栈)。此外,ADI公司提供完整的硬件和软件参考设计,以及用于实时参数调试的SigmaStudio™开发环境。

图1显示了ADSP-BF706内部的不同算法模块。外部波形音频文件(WAV)存储特征发动机声音或音频信号音。从SPI接口最多可以同时访问25个WAV文件。这些文件先在数字信号处理器(DSP)内部进行频移和混频,然后添加动态音量控制。

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图1.Blackfin+处理器内的算法模块

ADSP-BF706采用存储器映射SPI接口,通过它可以更快速、更简便地访问外部存储器,无需为此应用外配DDR存储器。从SPI闪存最多可以同时访问25个WAV文件。可访问的WAV文件个数有助于创造更逼真的发动机声音。

ADSP-BF706还能实现高达16倍的音调调整,这是美国(US) NHTSA提出的一项建议,即随着车速的增加而提高输出声音的频率。根据CAN总线送来的车速数据,ADSP-BF706可以动态控制音量。

图2显示了系统详细框图。Power By Linear™ LT8602四通道单片同步降压型稳压器从12 V汽车电池电源产生系统中所需的全部供电电压。2 MHz开关频率让用户可以避开关键的噪声敏感频段,例如AM频段。LT8602的3 V至42 V输入电压范围使该器件成为汽车应用的理想选择,因为汽车应用必须承受冷启动和启停场景,最低输入电压低至3 V,电源切断瞬变超过40 V。

图3显示了另一个系统框图,其中减少了外设和连接器,一个通过汽车认证的连接器包含了所有相关信号。该方案允许设计更小尺寸的电路板。

由于ADSP-BF706同时充当了微控制器和音频处理器,因此该系统解决方案可降低系统物料(BOM)成本。

欲了解详细信息,请参阅软件下载包中提供的“EVWSS v1演示手册”和“EVWSS v2演示手册”。该软件包(EVWSS-BF_SRC-Rel2.0.0)可通过ADI公司网站上的软件申请表页面申请获得。有关ADSP-BF706的详细信息,请参阅ADSP-BF70x Blackfin+™处理器硬件参考和ADSP-BF7xx Blackfin+™处理器编程参考。

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图2.采用Blackfin+处理器的全功能板的详细系统框图

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图3.采用Blackfin+处理器、器件有所减少的小尺寸板的详细系统框图

针对ADSP-BF706 BLACKFIN+处理器的EVWSS软件架构

EVWSS软件架构基于ADSP-BF706硬件架构。处理器依赖硬件架构的原因在于存储器映射SPI。利用存储器映射SPI,ADSP-BF706可以直接读取闪存。此特性降低了EVWSS库的复杂性,使得用于生成警示音的内存访问效率更高。

软件组件

EVWSS软件架构由图4所示的组件构成。

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图4.EVWSS软件架构框图

本部分详细介绍软件组件。SPORT回调特性映射到音频数据采样速率,并在SPORT收发器中断服务例程(ISR)上下文中运行,读取闪存文件(SPI存储器映射),利用EVWSS库执行音频处理,并通过SPORT收发器接口送出处理过的音频。EVWSS库存有合成警示音的不同函数。EVWSS库还接收来自CAN协议栈的车速输入(或由 UART接口进行调试)。TDA7803驱动器控制外部功率放大器来生成警示音。EVWSS应用程序框架配置系统外设、CAN协议栈和TDA7803驱动程序。

EVWSS库函数

下面介绍EVWSS库函数。有关详细信息,请参阅软件下载包中的“车辆电子警示音系统版本信息”。

音调控制

音调调整是指基于控制输入来调整音频信号的频谱。在EVWSS应用中,WAV文件的基本音调根据车速输入而变化。

频率调制和相位调制

发动机声音取决于发动机冲程,包括进气、压缩、做功(膨胀)和排气。这些冲程产生频率调制信号音,而不是纯信号音。改变采样的音调调整参数以实现频率调制。

此应用包括两种调制(锯齿形和三角形)。在锯齿形调制中,频率从最低斜坡上升到最高,然后跳回最低。在三角形调制中,频率从最低斜坡上升到最高,然后斜坡下降到最低。

压摆混音

对于混音,应相对于车速配置不同增益。

WAV文件播放

尽管所需的WAV文件保存在闪存中,但用户可以播放或停止某些WAV文件,具体取决于动态条件。

基于SigmaDSP的解决方案

对于入门级应用,ADAU1450 SigmaDSP处理器可以替代ADSP-BF706处理器。为了进行评估,可以使用EVAL-ADAU1452评估板。

图5显示了SigmaDSP处理器内部的不同算法模块。

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图5.SigmaDSP处理器内部的算法模块

ADAU1450使用SigmaStudio编程环境支持以下软件要求:

• 多信号音生成
• 动态音量控制,最多64级
• 混音
• 限幅器
• 音调调整,即随着车速增加提高音调
• 同时播放SPI闪存中的最多5个WAV文件

ADI公司在SigmaStudio中提供了一个发动机声音模拟器模块,以简化发动机声音调整并减少所需的外部同步WAV文件数量。发动机声音模拟器可以在内部产生多达32个谐波。这些谐波的阶数和幅度可以通过图形用户界面(GUI)进行编程。发动机声音模拟器模块在SigmaStudio中已发布,可通过ADI网站上的软件申请表页面申请获得。

请注意,SigmaStudio不支持CAN软件协议栈,需要外部微处理器。

SigmaStudio
SigmaStudio是一种图形开发环境,最初针对SigmaDSP系列处理器而设计。该软件内置了专门为汽车应用开发的算法库。GUI简化了调整过程,并提供控制功能和滤波器系数,无需编写代码便可动态改变滤波器系数。SigmaStudio可以从ADI公司网站SigmaStudio页面下载。

结论

ADI公司为入门级应用、以及支持车内车外发动机声音的高级发动机声音模拟系统提供全面解决方案。本应用笔记旨在帮助用户简化决策过程,并缩短产品上市时间。ADI公司提供完整的系统解决方案,包括用于快速开发原型和产品的必要软件组件。

I2C指最初由Philips Semiconductors(现为NXP Semiconductors)开发的一种通信协议。