電動汽車警示音系統

作者:ADI 應用工程師Andreas Pellkofer,軟體工程師Jagannath Rotti及應用工程師Danny Ko


簡介

傳統內燃機車輛即使低速行駛也會發出發動機聲音。通常,當車輛不在視線範圍內時,行人和其他交通參與者透過視覺識別、及對輪胎和其他噪音的聽覺識別來判斷車輛的接近或離開。

電動車輛(EV)則不會發出引擎聲。以低速行駛時,在傳統內燃機(ICE)發動之前,混合動力電動車(HEV)或插電式混合動力電動車(PHEV)幾乎是無聲無息地移動。當速度低於19 mph時,這些車輛發出的聲響難以聽到。在更高速度下,輪胎聲音便成為了主要的聲響。

全球管理機構正在研究立法,尋求為電力驅動模式下的PHEV和HEV制定較低限度的聲音水準,以便使視障人士、行人和騎士能聽到這些車輛駛近,並確定這些車輛從哪個方向駛來。在美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)網站上可以找到相關立法。

電動汽車警示音系統(EVWSS)產生一系列旨在提醒行人有EV、HEV和PHEV存在的聲音。駕駛員可以觸發警示音(類似於汽車喇叭的聲音,但不那麼急迫);但在低速時,聲音必須能自動響起。聲音的類型有許多種,舉凡從人工訊號音到模仿引擎噪音和輪胎經過礫石的真實聲音。

ADI提供兩種不同解決方案,包括用於EV的車內引擎聲音模擬以及外部引擎聲音產生。進階應用方案基於 ADSP-BF706開發。對於入門級應用,則基於ADAU1450 SigmaDSP®。 這些解決方案可以合成聲音並根據行駛速度調整頻率、音量和其他參數,而且可以將音訊發送到音訊功率放大器。根據具體立法的要求,警示音可以利用內燃機聲音或任何其他合成訊號音來模擬。

基於Blackfin的解決方案

ADSP-BF706 Blackfin+® 處理器是包含音訊處理和CAN匯流排介面的單晶片解決方案。ADI開發了在ADSP-BF706上運行的CAN軟體協定堆疊,使得使用者能以極少的工作量構建汽車級示範操作(也可以使用(a Vector®CAN協定堆疊)。此外,ADI提供完整的硬體和軟體參考設計,以及用於即時參數調試的 SigmaStudio® 開發環境。

圖1顯示了ADSP-BF706內部的不同演算法模組。外部波形音訊檔(WAV)儲存特徵發動機聲音或音訊訊號音。從SPI介面最多可以同時存取25個WAV檔。這些檔案先在數位訊號處理器(DSP)內部進行頻移和混頻,然後增加動態音量控制。

圖1.Blackfin+處理器內的演算法模組。

ADSP-BF706採用記憶體映射SPI介面,透過它可以更快速、更簡便地存取外部記憶體,無需為此應用額外配置DDR記憶體。從SPI快閃記憶體最多可以同時存取25個WAV檔。可存取的WAV檔個數有助於創造更逼真的引擎聲音。

ADSP-BF706並能實現高達16倍的音調調整,這是美國NHTSA提出的一項建議,即隨著車速的增加而提高輸出聲音的頻率。根據CAN匯流排送來的車速資料,ADSP-BF706可以動態控制音量。

圖2顯示了系統詳細框圖。Power by Linear™ LT8602四通道單晶片同步降壓型穩壓器從12 V汽車電池電源產生系統中所需的全部供電電壓。2 MHz開關頻率讓使用者可以避開關鍵的雜訊敏感頻段,例如AM頻段。LT8602的3 V至42 V輸入電壓範圍使該元件成為汽車應用的理想選擇,因為汽車應用必須承受冷開機和啟/停場景,最低輸入電壓低至3 V,負載突降瞬變超過40 V。

圖2.採用Blackfin+處理器的全功能板的詳細系統框圖。

圖3顯示了另一個系統框圖,其中配有連接器,減少了外部設定,一個透過汽車認證的連接器涵蓋所有相關訊號。該方案允許設計更小尺寸的電路板。由於ADSP-BF706同時充當了微控制器和音訊處理器,因此該系統解決方案可降低系統物料(BOM)成本。

圖3.採用Blackfin+處理器、元件有所減少的電路板的詳細系統框圖。

欲瞭解該解決方案的詳細資訊,請參閱下載的軟體中提供的「EVWSS v1操作手冊」和「EVWSS v2操作手冊」。該套裝軟體(EVWSS-BF_SRC-Rel2.0.0)可透過ADI網站上的軟體申請表 頁面申請取得。有關 ADSP-BF706的詳細資訊,請參閱ADSP-BF70x Blackfin+™處理器硬體參考ADSP-BF7xx Blackfin+™ 處理器程式設計參考

針對ADSP-BF706 Blackfin+處理器的EVWSS軟體架構

EVWSS軟體架構基於ADSP-BF706硬體架構。處理器依賴硬體架構的原因在於記憶體映射SPI。利用記憶體映射SPI,CAN介面可以直接讀取快閃記憶體。此特性降低了EVWSS庫的複雜性,使得用於產生警示音的記憶體存取效率更高。

軟體元件

EVWSS軟體架構由圖4所示的組件構成。

本部分詳細介紹軟體元件。SPORT回檔特性映射到音訊資料採樣速率,並在SPORT收發器插斷服務常式(ISR)上下文中運行,讀取快閃記憶體檔(SPI記憶體映射),利用EVWSS庫執行音訊處理,並透過SPORT收發器介面送出處理過的音訊。EVWSS庫存有合成警示音的不同函數。EVWSS庫並接收來自CAN協議堆疊的車速輸入(或由UART介面進行調試)。TDA7803驅動器控制外部功率放大器來產生警示音。EVWSS應用程式框架配置系統外部設定、CAN協定堆疊和TDA7803驅動程式。

EVWSS庫函數

下面介紹EVWSS庫函數。有關詳細資訊,請參閱下載軟體中的「車輛電子警示音系統版本資訊」。

圖4.EVWSS軟體架構框圖。

音調控制

音調調整是指基於輸入的控制訊號來調整音訊訊號的頻譜。在EVWSS應用中,WAV檔的基本音調根據車速輸入而變化。

頻率調變和相位調變

發動機聲音取決於發動機衝程,包括進氣、壓縮、做功(膨脹)和排氣。這些衝程產生頻率調變訊號音,而不是純訊號音。改變採樣的音調調整參數以實現頻率調變。

此應用包括兩種調變(鋸齒形和三角形)。在鋸齒形調變中,頻率從最低斜坡上升到最高,然後跳回最低。在三角形調變中,頻率從最低斜坡上升到最高,然後斜坡下降到最低。

壓擺混音

對於混音,應相對於車速配置不同增益。

WAV檔播放

儘管所需的WAV檔保存在快閃記憶體中,但用戶可以播放或停止某些WAV檔,具體取決於動態條件。

基於SigmaDSP的解決方案

對於入門級應用,ADAU1450 SigmaDSP處理器可以取代ADSP-BF706處理器。為了進行評估,可以使用EVALADAU1452評估板。

圖5顯示了SigmaDSP處理器內部的不同演算法模組。

圖5.SigmaDSP處理器內部的演算法模組。

TADAU1450使用SigmaStudio編程環境支援以下軟體要求:

  • 多訊號音產生
  • 動態音量控制,最多64級s
  • 混音
  • 限幅器
  • 音調調整,即隨著車速增加提高音調
  • 同時播放SPI快閃記憶體中的最多5個WAV檔

ADI在SigmaStudio中提供了一個引擎聲音模擬器模組,以簡化發動機聲音調整並減少所需的外部同步WAV檔數量。引擎聲音模擬器可以在內部產生多達32個諧波。這些諧波的階數和幅度可以透過圖形化使用者介面(GUI)進行編程。

諧波產生器模組作為ESS Toolbox的一部分可供使用。可以直接從SigmaStudio下載頁面 進行下載(版本4.4或更高版本)。請注意,SigmaStudio不支援CAN軟體協定堆疊,需要外部微處理器。

SigmaStudio

SigmaStudio是一種圖形開發環境,最初針對SigmaDSP系列處理器而設計。該軟體內建專門為汽車應用開發的演算法庫。GUI簡化了調整過程,並提供控制功能和濾波器係數,無需編寫代碼便可動態改變濾波器係數。SigmaStudio可以從ADI網站 SigmaStudio 頁面下載。

結論

ADI為入門級應用、以及支援車內車外引擎聲音的先進引擎聲音類比系統提供全面解決方案。本文旨在説明使用者簡化決策過程,並縮短產品上市時間。ADI提供完整的系統解決方案,包括用於快速開發原型和產品的必要軟體元件。