信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

1、信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用姓名： 學(xué)號(hào)：信號(hào)處理系統(tǒng)一.信號(hào)處理簡(jiǎn)介1.什么是信號(hào)處理信號(hào)處理是研究用系統(tǒng)對(duì)含有信息的信號(hào)進(jìn)行變換以滿足人們想要的信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到提取信息、便于利用的一種科學(xué)。信號(hào)處理的內(nèi)容包括濾波、變換、檢測(cè)、譜分析、估計(jì)、壓縮、識(shí)別等等一系列的加工處理。2.模擬信號(hào)處理與數(shù)字信號(hào)處理因?yàn)槎鄶?shù)科學(xué)和工程中遇到的是模擬信號(hào)，所以以前都是研究模擬信號(hào)處理的理論和實(shí)現(xiàn)。但是模擬信號(hào)處理很難做到高精度，其受環(huán)境影響較大，可靠性較差，當(dāng)系統(tǒng)某一參數(shù)的改變時(shí)，其硬件電路常常需要做出較大改變，很不靈活。隨著大規(guī)模集成電路以及數(shù)字計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，加上20世紀(jì)60年代末以來數(shù)字信號(hào)處

2、理理論和技術(shù)的成熟和完善，用數(shù)字方法來處理信號(hào)，即數(shù)字信號(hào)處理，已經(jīng)逐步取代了模擬信號(hào)處理。隨著信息時(shí)代、數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)成為一門及其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。信號(hào)處理方式比較比較內(nèi)容模擬方式數(shù)字方式修改設(shè)計(jì)的靈活性修改硬件設(shè)計(jì)、更改硬件參數(shù)更改軟件程序可靠性和穩(wěn)定性容易受環(huán)境溫度、濕度、電磁干擾的影響基本不受環(huán)境因素干擾精確度取決于元器件的參數(shù)精度AD、DA的量化誤差，處理器的運(yùn)算位數(shù)規(guī)模和復(fù)雜度集成度低、電路規(guī)模小、很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的復(fù)雜運(yùn)算集成度高、功能強(qiáng)、方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)處理由處理器運(yùn)算速度和存儲(chǔ)器存取速度決定對(duì)高頻信號(hào)的處理可以處理微波、毫米波乃至光波信號(hào)受A

3、/D速度和處理器運(yùn)算速度的限制實(shí)現(xiàn)的典型算法模擬加法器、減法器、乘法器、微分器、積分器；高通、低通、帶通濾波幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)所有的計(jì)算和算法數(shù)字信號(hào)處理有一下一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：精度高：模擬網(wǎng)絡(luò)的精度由元件決定，模擬器件的精度很難達(dá)到10-3以上，而數(shù)字系統(tǒng)只要14位字長(zhǎng)的就能達(dá)到10-4精度。在高精度系統(tǒng)中有時(shí)只能使用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。靈活性高：數(shù)字系統(tǒng)的性能主要由乘法器的系數(shù)決定，而系數(shù)是存放在系數(shù)存儲(chǔ)器重的，因而只要改變存儲(chǔ)器的系數(shù)就可以得到不同的系統(tǒng)。可靠性強(qiáng)：數(shù)字系統(tǒng)只有兩個(gè)信號(hào)電平“0”和“1”，因而受周圍環(huán)境溫度及噪聲的影響較小。容易大規(guī)模集成：由于數(shù)字部件具有高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成

4、，大規(guī)模生產(chǎn)，對(duì)電路參數(shù)要求不嚴(yán)，因而產(chǎn)品成品率很高。分時(shí)復(fù)用：處理器的運(yùn)算速度越快，能處理的信道數(shù)目也就越多。由于數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用廣泛，本文主要以數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為主要內(nèi)容進(jìn)行介紹。二.數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)處理信號(hào)之前，首先要把輸入的模擬量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行處理，最后再還原成模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理的簡(jiǎn)單方框圖如圖1所示。前置預(yù)濾波器（抗混疊濾波）A/D數(shù)字信號(hào)處理芯片D/A模擬濾波(平滑濾波)模擬輸入模擬輸出圖1 數(shù)字圖像處理的簡(jiǎn)單方框圖1.前置預(yù)濾波器（抗混疊濾波）：根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，抽樣頻率必須大于兩倍信號(hào)的最高頻率

5、，否則在抽樣信號(hào)的頻譜將出現(xiàn)混疊效應(yīng)，抽樣信號(hào)將不能還原出原信號(hào)。在實(shí)際系統(tǒng)中，輸入信號(hào)中常?；煊懈哳l噪聲，這些噪聲使得抽樣后信號(hào)的頻譜出現(xiàn)混疊，不利于對(duì)原信號(hào)的復(fù)原，因此在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前需進(jìn)行抗混疊濾波，將輸入模擬信號(hào)中高于抽樣頻率一半的分量濾除。2.A/D轉(zhuǎn)換：在模擬數(shù)字變換器(A/D轉(zhuǎn)換器)中每隔一個(gè)采樣周期T取出一次輸入模擬量的幅值，抽樣后的信號(hào)稱為離散時(shí)間信號(hào)，它只表示一些離散點(diǎn)0,T,1T,2T,3T的信號(hào)值，這樣的抽樣過程其實(shí)就是對(duì)模擬信號(hào)的時(shí)間離散化過程。3.數(shù)字信號(hào)處理過程：經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)序列，數(shù)字信號(hào)序列被輸入到數(shù)字信號(hào)處理器中，數(shù)字信號(hào)處理器按照預(yù)先

6、的要求對(duì)其完成一些列的計(jì)算轉(zhuǎn)化，最后變?yōu)槿藗兿Ｍ妮敵鰯?shù)據(jù)。4.D/A轉(zhuǎn)換：由數(shù)字信號(hào)處理器輸出的數(shù)字信號(hào)需通過D/A轉(zhuǎn)換器，完成沖數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)應(yīng)在抽樣點(diǎn)上與輸入信號(hào)的幅值相同。5.模擬濾波(平滑濾波)：由D/A轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)還要經(jīng)過模擬濾波器，從而過濾掉一些不需要的高頻噪聲，平滑成所需要的模擬輸出信號(hào)。圖1所示為數(shù)字信號(hào)處理基本框圖，實(shí)際的系統(tǒng)不一定要包括它的所有部分。例如，有的系統(tǒng)只需要數(shù)字輸出，可以直接以數(shù)字形式顯示或打印，就不再需要D/A轉(zhuǎn)換器了；又有一些系統(tǒng)本身輸入的就是數(shù)字量，因而就不需要A/D轉(zhuǎn)換器；純粹的數(shù)字系統(tǒng)只需要數(shù)字信號(hào)處理器這一核心部分就

7、行了。圖1中的數(shù)字信號(hào)處理器可以是數(shù)字計(jì)算機(jī)或者微處理器，通過軟件編程對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一種預(yù)期處理，這是一種軟件實(shí)現(xiàn)的方法。另一種方法使用基本的數(shù)字硬件組成專用處理器或?qū)Ｓ脭?shù)字信號(hào)處理芯片作為數(shù)字信號(hào)處理器，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，但由于是專用的，因此只能完成某一具體的加工處理，而不能完成其他類型的加工處理，這是它的缺點(diǎn)。第三種數(shù)字信號(hào)處理器就是現(xiàn)在最為流行的通用數(shù)字信號(hào)處理芯片它是專為信號(hào)處理設(shè)計(jì)的芯片，有專門執(zhí)行信號(hào)處理算法的硬件，如乘法累加器、流水線工作方式、并行處理、多總線硬件等，并有專用的信號(hào)處理的指令。由于近年來信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理芯片已經(jīng)應(yīng)用到了很多領(lǐng)域中。

8、常用數(shù)字信號(hào)處理芯片有兩種類型，一種是專用DSP芯片，另一種是通用DSP芯片。(1)專用DSP芯片：作為橫向?yàn)V波器用的有INMOS公司的A100，PLESSY GEC公司的PDSP16256等，作為快速傅里葉變換用的有PLESSY GEC公司的PDSP16510，Austek公司的A41102；還有作為復(fù)乘-累加以及求模和相角等用的專用DSP芯片。(2)通用DSP芯片：有TI公式的TMS320C1X/C2X/C2XX/C54X/C62X系列定點(diǎn)制DSP芯片，ADSP21020/2106X/21160浮點(diǎn)制DSP芯片，有AT&T公司的DSP32C/3210、DSP96002浮點(diǎn)制DSP芯

9、片等芯片，其中我國(guó)用得最多的是TI公司和AD公司的產(chǎn)品。數(shù)字信號(hào)處理在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)滲透到當(dāng)今汽車的各個(gè)角落，從引擎控制到娛樂系統(tǒng)。全球汽車年銷售量迅速增長(zhǎng)，對(duì)信號(hào)處理技術(shù)來說汽車應(yīng)用是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。本文將探討汽車信號(hào)處理的四個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：引擎和變速控制、安全和便利性、電動(dòng)轉(zhuǎn)向和剎車，以及“信息娛樂”。針對(duì)每一應(yīng)用領(lǐng)域，我們分析現(xiàn)有和將來的信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用，重點(diǎn)集中在幾個(gè)值得特別關(guān)注的應(yīng)用。我們也突出強(qiáng)調(diào)了這些應(yīng)用背后的驅(qū)動(dòng)力量，比如政府法規(guī)、成本壓力，以及汽車制造商想標(biāo)新立異的愿望。引擎和變速控制 有幾個(gè)原因促使信號(hào)處理在汽車引擎和變速控制方面的應(yīng)用尤其普遍。歐美政府強(qiáng)制執(zhí)行

10、的空氣凈化法規(guī)迫使汽車制造商設(shè)計(jì)開發(fā)更為節(jié)能的引擎和變速裝置。燃料使用效率對(duì)消費(fèi)者也十分重要，特別是在油價(jià)高昂的地區(qū)。此外，消費(fèi)者也希望得到強(qiáng)勁的性能。在滿足這些需求的同時(shí)，汽車制造商也想降低成本及縮短設(shè)計(jì)周期。信號(hào)處理技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)。1）引擎控制器 引擎采用電子控制已有多年歷史。但直到最近，這些控制器主要依靠靜態(tài)查找表來確定如何調(diào)整引擎參數(shù)?，F(xiàn)今，引擎控制器采用了更為復(fù)雜的算法，比如那些用于檢測(cè)引擎爆震音的算法。 “爆震”是指未受控制的燃料燃燒，它對(duì)尾氣排放、燃燒效率和引擎壽命都有負(fù)面影響。以前，引擎控制器采用保守的預(yù)定義設(shè)置來防止爆震的發(fā)生。但是，引擎在處于爆震臨界狀態(tài)時(shí)工作效

11、率才能達(dá)到最高，因此傳統(tǒng)的辦法限定了引擎的動(dòng)力。為解決這一問題，現(xiàn)代的引擎控制器采用信號(hào)處理算法來檢測(cè)爆震征兆，這樣引擎就可工作于爆震臨界狀態(tài)。 控制器也開始采用差分方程對(duì)引擎行為進(jìn)行建模。這些方程可讓引擎控制器針對(duì)引擎狀態(tài)微調(diào)其響應(yīng)，而不是依靠事先設(shè)定的查尋表參數(shù)。采用行為建模的方法也可減少花費(fèi)在引擎校準(zhǔn)上的時(shí)間。采用查尋表方法時(shí)，校準(zhǔn)需要在一系列條件下對(duì)引擎進(jìn)行測(cè)試，這一過程要花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢。然而，對(duì)于一個(gè)基于行為建模的控制器，確定其參數(shù)僅需少量測(cè)試即可。 由于引擎控制器開始控制越來越多的引擎功能，其設(shè)計(jì)也變得越來越復(fù)雜。對(duì)于一個(gè)先進(jìn)的引擎，其閥門由純粹的機(jī)械系統(tǒng)所控制，但是閥門定時(shí)

12、開始采用電子控制。將來的引擎可能全部采用電子閥門，每個(gè)閥門都由一個(gè)螺線管操縱。這些日趨復(fù)雜的控制需要額外的信號(hào)處理。 信號(hào)處理也可為各種電動(dòng)馬達(dá)提供了平滑控制。電子啟動(dòng)渦輪增壓器就是一個(gè)值得關(guān)注的馬達(dá)控制應(yīng)用。渦輪增壓器可提高引擎的效率，但它也會(huì)造成“延遲”。亦即，從汽車駕駛者踩下加速器到渦輪增壓器產(chǎn)生額外的動(dòng)力，期間會(huì)有一段明顯的時(shí)間間隔。如果引擎設(shè)計(jì)人員為渦輪增壓器添加一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)，這一延遲現(xiàn)象就會(huì)消失。 復(fù)雜的電動(dòng)馬達(dá)也可用于混合型汽車，這種汽車由內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)馬達(dá)混合驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)在的汽車僅有一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)，但將來的汽車可能會(huì)采用多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，從而大大增加對(duì)馬達(dá)控制器的需求。電動(dòng)馬達(dá)控制對(duì)還處于開

13、發(fā)階段的燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車也很重要。 2）變速器 變速器也越來越依賴于復(fù)雜的信號(hào)處理算法。例如，現(xiàn)已有幾款車型配有計(jì)算機(jī)控制的“手動(dòng)”變速器，不再需要離合器踏板。這些系統(tǒng)采用與現(xiàn)代引擎控制器類似的方式，即基于模型的方法來決定如何及何時(shí)換檔變速。這種模型根據(jù)有關(guān)摩擦、傳動(dòng)裝置同步速度及其它變速參數(shù)等信息來執(zhí)行相應(yīng)的變速操作。電動(dòng)系統(tǒng)要比手動(dòng)操作快得多，而且在不太惡劣的駕駛條件下可實(shí)現(xiàn)超平滑的變速。 3）降低成本除了提供更好的性能和效率外，信號(hào)處理技術(shù)還可降低引擎和變速控制器的成本。例如，這些控制器可采用數(shù)字信號(hào)處理，而不用模擬信號(hào)調(diào)節(jié)，因?yàn)槟M電路成本高且靈活性低。一個(gè)為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)調(diào)

14、節(jié)硬件可能對(duì)6缸發(fā)動(dòng)機(jī)毫無(wú)用途。但是，如果采用數(shù)字信號(hào)處理，同樣的引擎控制器稍做調(diào)整即可用于不同的引擎結(jié)構(gòu)，而且改動(dòng)軟件即可。這樣就可以大大降低開發(fā)成本，并減少汽車制造商的配件庫(kù)存。此外，數(shù)字信號(hào)處理也可減少引擎所需配件數(shù)量，從而降低成本。 引擎一般都有很多傳感器，而且這些傳感器的輸出都是相互關(guān)聯(lián)的。采用信號(hào)處理技術(shù)可讓引擎設(shè)計(jì)人員省去一些傳感器，因?yàn)橛行﹤鞲衅鲾?shù)據(jù)可從其它傳感器得出。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)閭鞲衅魇且孀畎嘿F的組件之一。安全和便利性安全和便利性方面的應(yīng)用是汽車信號(hào)處理技術(shù)一大主要驅(qū)動(dòng)力。消費(fèi)者在購(gòu)車時(shí)往往將安全放在第一位。可想而知，汽車制造商總是使出渾身解數(shù)向消費(fèi)者展示他們的產(chǎn)品

15、在安全性能上如何比其他廠家的產(chǎn)品略勝一籌。 氣囊是最常見的電控安全系統(tǒng)之一。汽車制造商在其汽車上安裝更多的氣囊和傳感器的同時(shí)，氣囊控制器也要求更為復(fù)雜的算法。例如，汽車制造商想通過調(diào)整乘客的位置來提高氣囊的性能。一種方法是利用機(jī)器影像來檢測(cè)乘客位置，這種技術(shù)就需要強(qiáng)大的信號(hào)處理能力。 防抱死剎車系統(tǒng)是另一個(gè)常見的安全應(yīng)用。如果剎車時(shí)車輪打滑(抱死)，防抱死剎車系統(tǒng)就會(huì)感應(yīng)到并暫時(shí)釋放制動(dòng)裝置。近年來，防抱死剎車系統(tǒng)又?jǐn)U展成為汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)。穩(wěn)定控制系統(tǒng)可以檢測(cè)到何時(shí)駕駛者對(duì)汽車的控制有所松弛，最新的系統(tǒng)甚至可以衡量偏航以確定汽車是否有翻車的危險(xiǎn)。如果駕駛者放松了對(duì)汽車的控制，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)需要

16、調(diào)整引擎動(dòng)力和剎車裝置以確保汽車穩(wěn)定行使。有些系統(tǒng)還可以繃緊懸架彈簧以阻止翻滾。這些穩(wěn)定控制系統(tǒng)要分析大量的輸入信號(hào)，并需要相當(dāng)復(fù)雜的處理。 出于責(zé)任方面的考慮，很多最新的汽車安全技術(shù)都以“便利”特性為表現(xiàn)方式，而非“安全”特性。例如，一些高檔汽車具有自適應(yīng)巡航控制功能，可利用雷達(dá)或激光感應(yīng)與前方車輛的距離以及車本身的速度。該系統(tǒng)可調(diào)整車的速度以便與前方車輛保持同步，這樣駕駛者就可在交通不太擁擠的狀況下使用巡航控制。 這種系統(tǒng)的功能還可進(jìn)一步擴(kuò)展。比如，當(dāng)前方車輛突然停下來時(shí)，該系統(tǒng)可啟動(dòng)剎車裝置以防止碰撞。然而由于責(zé)任問題，現(xiàn)今的系統(tǒng)并不提供這一功能。相反，當(dāng)出現(xiàn)撞車的危險(xiǎn)時(shí)，這類系統(tǒng)往往做

17、些減少傷害的準(zhǔn)備。例如，巡航控制系統(tǒng)可能會(huì)向座位控制器發(fā)送信號(hào)，將座位移動(dòng)到一個(gè)豎直的位置以減少傷害。 有些新款汽車還帶有車道偏離警告系統(tǒng)，當(dāng)汽車非有意識(shí)地偏離車道時(shí)告警就會(huì)觸發(fā)。這種系統(tǒng)采用機(jī)器影像，將于今年晚些時(shí)候首先在美國(guó)乘客車輛中投入使用。如果檢測(cè)到非有意偏離車道的情況發(fā)生，比如駕駛者換車道時(shí)沒有打轉(zhuǎn)向信號(hào)，這種系統(tǒng)就會(huì)通過聲音告警或其它方式向駕駛者發(fā)出警告。目前，美國(guó)的這種告警系統(tǒng)并沒有提供阻止偏離車道的功能。然而，日本已開始啟用具有這一功能的告警系統(tǒng)，可能是因?yàn)槿毡静幌衩绹?guó)那樣喜歡打官司的緣故。 電動(dòng)轉(zhuǎn)向和剎車 電動(dòng)轉(zhuǎn)向和剎車也是新出現(xiàn)的信號(hào)處理應(yīng)用。電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正變得越來越流行，

18、因?yàn)樗纫簤恨D(zhuǎn)向系統(tǒng)更為有效。高效率可獲得明顯的節(jié)能效果，這對(duì)小型車尤其明顯。此外，電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)尺寸小，易于安裝，而且更加可靠。 基本系統(tǒng)只是簡(jiǎn)單地用電動(dòng)液壓泵替代傳統(tǒng)的傳送帶驅(qū)動(dòng)液壓泵，而較復(fù)雜的系統(tǒng)則直接采用電動(dòng)馬達(dá)，完全取代了液壓系統(tǒng)。這類系統(tǒng)需要信號(hào)處理算法來精確控制馬達(dá)。 即將面世的系統(tǒng)更進(jìn)一步，用汽車穩(wěn)定系統(tǒng)來協(xié)調(diào)電動(dòng)轉(zhuǎn)向。當(dāng)汽車偏離正常車道時(shí)，這種系統(tǒng)可檢測(cè)到，并可對(duì)轉(zhuǎn)向角度做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。再往前看，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將變成全電子化的，駕駛者和轉(zhuǎn)向盤之間將沒有任何機(jī)械連接。 有些高檔剎車系統(tǒng)也開始用電動(dòng)馬達(dá)替代液壓系統(tǒng)。這種系統(tǒng)利用伺服馬達(dá)將剎車板推向剎車轉(zhuǎn)向軸。跟電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一樣，這類剎車系統(tǒng)也需要信號(hào)處理算法以獲得精密的馬達(dá)控制。 信息娛樂 最后，信號(hào)處理也廣泛應(yīng)用于汽車娛樂和信息系統(tǒng)，我們將之統(tǒng)稱為“信息娛樂”系統(tǒng)。信號(hào)處理可用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話和藍(lán)牙信號(hào)傳輸?shù)韧ㄐ殴δ埽部蓪?shí)現(xiàn)均衡和MP3解碼等音頻功能。近日?qǐng)?bào)道稱，英特爾公司計(jì)劃與奔馳公司合作，為