使用MEMS加速度計(jì)和自適應(yīng)參考捕獲車(chē)載DVR系統(tǒng)中的真實(shí)加速度數(shù)據(jù)

現(xiàn)代車(chē)載數(shù)字視頻記錄系統(tǒng) （DVR） 或 OBD 正在使用加速度計(jì)（g 傳感器）來(lái)測(cè)量車(chē)載加速度。這允許DVR在發(fā)生預(yù)定義事件（例如急剎車(chē)或碰撞）時(shí)，使用日期/時(shí)間/加速信息為錄制的視頻加水印。將視頻保存到系統(tǒng)內(nèi)存（如硬盤(pán)或SD卡）時(shí)，水印很有幫助。水印可以輕松識(shí)別和播放感興趣的活動(dòng)視頻。并且通過(guò)僅保留帶水印的視頻并刪除其他視頻，可以顯著節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存。然而，由于加速度計(jì)上的地球重力偏移和車(chē)輛振動(dòng)的組合，在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量加速度是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)。本文介紹了解決此問(wèn)題的簡(jiǎn)單但有效的方法。

圖1所示為車(chē)載DVR系統(tǒng)框圖。來(lái)自CMOS傳感器的相機(jī)視頻被拍攝、處理并最終存儲(chǔ)在獨(dú)立存儲(chǔ)器中，例如SD卡或硬盤(pán)。如藍(lán)色突出顯示所示，加速度計(jì)（例如ADXL313）用于測(cè)量車(chē)輛加速度。

圖1.車(chē)載DVR系統(tǒng)框圖。

圖 2 說(shuō)明了帶有加速度計(jì)的 DVR 系統(tǒng)的工作原理。在預(yù)定義事件的情況下，例如急剎車(chē)，加速度會(huì)隨著車(chē)輛速度的變化而顯著增加或減少。加速度計(jì)將感測(cè)并測(cè)量數(shù)據(jù)MCU/處理器可以捕獲和處理的加速度。一旦加速度超過(guò)預(yù)定義的閾值（例如，–1.5 g），DVR 系統(tǒng)將開(kāi)始為錄制的視頻添加日期/時(shí)間/加速值等信息的水印。

圖2.車(chē)輛急剎車(chē)時(shí)的加速度和速度與時(shí)間的關(guān)系。

實(shí)際上，加速度計(jì)測(cè)得的加速度并不能準(zhǔn)確反映由于地球重力偏移和車(chē)輛振動(dòng)引起的畸變而導(dǎo)致的真實(shí)車(chē)輛加速度。在許多情況下，會(huì)引入地球的重力偏移。例如，當(dāng)DVR安裝在后視鏡中時(shí)，鏡子與地球引力的表面角度是不確定的，因?yàn)槌丝涂梢杂檬终{(diào)節(jié)它。另一個(gè)例子是當(dāng)車(chē)輛在非 100% 水平的道路上行駛時(shí)。此外，來(lái)自車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和崎嶇的路況會(huì)隨機(jī)耦合到加速度測(cè)量中并導(dǎo)致誤差。

表1檢查了地球重力偏移如何引入重大誤差。第一列是與地平線相關(guān)的道路坡度角度;第二列是由地球引力引入的重力傳感器Z軸上的偏移量;第四列是傳感器在Z軸上測(cè)量的加速度。如第四列所示，在車(chē)輛上加速度為 1 g 時(shí)，z 軸上測(cè)得的加速度隨角度增加。例如，在 15° 角處，測(cè)得的加速度約為 1.26 g，z 軸上的實(shí)際加速度為 1 g，因此測(cè)量誤差約為 26%。

圖3顯示了用地球重力偏移和車(chē)輛振動(dòng)耦合到加速度計(jì)上測(cè)量的真實(shí)加速度事件。在圖中，藍(lán)線表示在加速度計(jì)上測(cè)量的加速度，黃線表示地球重力引入的重力偏移。如圖所示，觀察到三個(gè)峰值點(diǎn)，A點(diǎn)，B點(diǎn)和C點(diǎn).A點(diǎn)測(cè)量約1.25 g，B點(diǎn)測(cè)量約2.25 g，C點(diǎn)測(cè)量約1.75 g。通過(guò)將閾值預(yù)定義為 1.5 g，B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)都超過(guò)了閾值，而 A 點(diǎn)低于閾值。但是，事實(shí)上，這個(gè)結(jié)果是錯(cuò)誤的，因?yàn)榧铀俣扔?jì)上的重力偏移沒(méi)有得到補(bǔ)償。如圖中突出顯示的紅色所示，通過(guò)消除重力偏移效應(yīng)，A點(diǎn)的實(shí)際加速度約為1.5 g，B點(diǎn)約為2 g，C點(diǎn)約為1.25 g。在這種情況下，預(yù)定義閾值為 1.5 g，A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)超過(guò)閾值，C 點(diǎn)低于閾值。這個(gè)例子清楚地表明，重力偏移會(huì)在測(cè)量的加速度上引入誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)做出不正確的決策。實(shí)際上，重力偏移和振動(dòng)都是不可預(yù)測(cè)的，因此測(cè)量中引入的誤差也是不可預(yù)測(cè)的。從重力偏移和振動(dòng)的測(cè)量數(shù)據(jù)中提取實(shí)際加速度是一項(xiàng)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

圖3.加速度輸出與地球重力偏移和車(chē)輛振動(dòng)相結(jié)合。

然而，自適應(yīng)參考可以自適應(yīng)地消除重力偏移和振動(dòng)引入的誤差。它立即監(jiān)控來(lái)自加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，任何隨時(shí)間變化小而緩慢的數(shù)據(jù)都被認(rèn)為是重力偏移和振動(dòng)引入的誤差。圖 3 中的黃線突出顯示了這一點(diǎn)。感興趣的實(shí)際加速度隨時(shí)間變化大而快，可以通過(guò)消除重力偏移和振動(dòng)引入的誤差來(lái)識(shí)別和提取測(cè)量數(shù)據(jù)。這在圖3中突出顯示為脈沖A、B和C。下一段描述了實(shí)現(xiàn)真實(shí)加速度數(shù)據(jù)的基本操作。

在每個(gè)測(cè)量周期中，加速度計(jì)測(cè)量并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用作下一個(gè)周期計(jì)算的參考。在下一個(gè)測(cè)量周期，測(cè)量數(shù)據(jù)將與前一個(gè)周期的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并將結(jié)果數(shù)據(jù)與預(yù)定義的閾值進(jìn)行比較。如果結(jié)果數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)定義的閾值，則將其識(shí)別為感興趣的大而快速的傳輸，并將由系統(tǒng)軟件進(jìn)一步處理。如果結(jié)果數(shù)據(jù)未超過(guò)閾值，則將其標(biāo)識(shí)為重力和振動(dòng)引入的偏移和噪聲。測(cè)量周期需要微調(diào)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)基于不同環(huán)境的準(zhǔn)確檢測(cè)。上述過(guò)程可以用以下公式表示：

其中
gn = 當(dāng)前測(cè)量周期中測(cè)量的 g 數(shù)據(jù) gn – 1 = 在前一個(gè)周期

中測(cè)量的 g 參考 gth = 預(yù)定義的 g 閾值

圖4描述了通過(guò)消除重力偏移和振動(dòng)引入的誤差來(lái)計(jì)算的實(shí)際加速度。如圖所示，現(xiàn)在黃線接近于零，這意味著重力偏移和振動(dòng)幾乎被消除。點(diǎn) A、B 和 C 正確反映了實(shí)際加速度。

圖4.應(yīng)用自適應(yīng)參考方法后的精確加速度。

一般來(lái)說(shuō)，上述自適應(yīng)參考方法應(yīng)該由軟件實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際上，期望MCU或處理器使用純軟件完成它可能不切實(shí)際，因?yàn)橐曨l應(yīng)用是實(shí)時(shí)的，MCU或處理器可能缺乏資源。作為一種解決方案，ADI ADXL313W加速度計(jì)具有交流模式操作和內(nèi)置32深度FIFO，這極大地有助于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)參考方法，即使在資源受限的后端MCU或處理器中也能實(shí)現(xiàn)精確的加速度測(cè)量。交流模式操作允許ADXL313W保留測(cè)量數(shù)據(jù)作為下一個(gè)周期計(jì)算的基準(zhǔn)，內(nèi)置的32 FIFO使ADXL313W能夠保存多達(dá)32字的測(cè)量數(shù)據(jù)，這兩者都大大減輕了后端MCU或處理器的負(fù)載。

圖5是ADXL313W交流模式操作的流程圖。一旦交流模式操作被激活，ADXL313W將自動(dòng)保留先前測(cè)量的數(shù)據(jù)，作為下一個(gè)周期與預(yù)定義閾值進(jìn)行比較的基準(zhǔn);如果超過(guò)閾值，中斷信號(hào)將激活，通知MCU或處理器進(jìn)行處理。在流程圖中，延遲X ms設(shè)置為兩個(gè)測(cè)量周期之間的間隔時(shí)間，可以根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)。

圖5.利用ADXL313W交流模式進(jìn)行精確加速度計(jì)算的流程圖。

圖6是ADXL313W 32先進(jìn)先出操作的流程圖。啟用32 FIFO模式操作后，ADXL313W將自動(dòng)在FIFO中保留最多32字的數(shù)據(jù)，如果FIFO已滿(mǎn)，則中斷信號(hào)激活，以相應(yīng)地通知MCU或處理器。

圖6.利用ADXL313W FIFO進(jìn)行精確加速度計(jì)算的流程圖。

結(jié)論

現(xiàn)代車(chē)載DVR或OBD需要精確的加速度檢測(cè)和測(cè)量，以便以有限的內(nèi)存大小記錄感興趣的水印視頻。測(cè)量誤差主要由地球重力偏移和車(chē)輛振動(dòng)引入，并且具有不可預(yù)測(cè)性，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。自適應(yīng)參考方法可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)以消除誤差，但實(shí)際上這可能不切實(shí)際，因?yàn)镈VR或OBD系統(tǒng)很容易受到資源限制。ADI ADXL313W加速度計(jì)具有交流模式操作和32深度FIFO，極大地有助于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)參考方法，同時(shí)顯著減輕后端MCU或處理器的負(fù)擔(dān)。ADXL313W結(jié)合汽車(chē)級(jí)認(rèn)證、高分辨率、低噪聲和低功耗等更多特性，有助于大幅提高DVR系統(tǒng)性能。

審核編輯：郭婷