摘要：  本文对安全用的LED汽车尾灯照明系统和基于摄像头的车前远光灯辅助控制系统及危险超车报警系统等三类新型照汽车用安全照明装置的构建方案及应用问题作分析，并侧重于对双模式高亮度驱动器与视频传感器及网络、激光传感器等新技术的应用和感知状况作研讨。

关键字：  尾灯驱动器，视频传感器，安全照明

当今汽车在公路或高速公路行驶中安全已成为制造厂商、驾驶人员及管理机构等相关的社会各界极度关注的问题。其造成行驶事故的隐患应该说是诸多因素，有人为的也有是车用设备而至的。为预防车行驶中尤其是高速行驶超车中事故的发生，已有多种安全用的LED汽车尾灯照明系统和车前智能化远光灯及危险超车报警系统等新型照明装置。它们均是汽车行驶中预防事故发生的有效选择，将受到人们的青睐。值此仅对安全用的LED汽车尾灯照明系统和基于摄像头的车前远光灯辅助控制系统及危险超车报警系统等三类新型照汽车用安全照明装置的构建方案及应用问题作分析，并侧重于对双模式高亮度驱动器与视频传感器及网络、激光传感器等新技术的应用和感知状况作研讨。
1 新型的尾灯驱动器的方案与特征
1.1 方案设计思想
多数汽车的尾灯和刹车灯采用同一组LED，这就要求LED工作在两个不同的亮度等级：刹车时处于全亮状态，作为尾灯行驶灯时处于10%至25%满亮度状态（可调光）。调光方式最好选择脉宽调节(PWM)，能够在整个亮度范围内保持LED的色谱。另外，采用内置200Hz振荡电路的LED驱动器IC可以省去外部PWM信号发生器，简化设计。尾(TAIL)灯可调节LED亮度和刹车(STOP)灯全亮状态受控于LED驱动器的TAIL和STOP输入。当尾端施加电压时，尾灯LED驱动到满亮度的10%至25%。当STOP端施加电压时，LED驱动至满亮度状态（无论TAIL端输入处于何种状态）。为此用MAX16804高亮度LED (HB LED)驱动器，它具有一个双模式DIM引脚，并且内置200Hz振荡电路，可以省去外部PWM信号发生器，简化驱动器的设计。
1.2 尾灯驱动器的架构 
用于汽车尾灯（STOP和TAIL模式）的LED驱动器可以简单地利用线性LED驱动器IC MAX16804来实现，只需极少的外部元件。请参见驱动器架构电路图（见图1所示）和PCB布板（图2）。流过LED的最大电流由R3或R4设置，受控于J1的连接方式，亮度由PWM信号控制，在IC内部实现该功能。驱动器IC产生200Hz的LED电流调节信号，占空比取决于亮度控制输入端(DIM)的电压，例如：DIM端电压为0.78V时，尾灯亮度设置在满亮度的20%。STOP和TAIL输入通过二级管D1、D2连接到IN引脚。IC可以通过任何一个输入端供电，输入之间不会相互影响。D1和D2还可以在汽车电源总线出现尖峰电压时提供电压反向保护。电容C4和C3可以旁路STOP电源线上的任何噪声，为DIM引脚提供保护。
1.3 为何要选用MAX16804作为LED尾灯驱动器  
这取决于它独持特的性能。MAX16804是高压、350mA、高亮度LED驱动器，内置200Hz三角波发生器，可提供模拟及PWM调光控制，无需µC提供PWM亮度调节，由此简化了LED照明设计，外部元件数最少，可有效降低成本、减小系统尺寸。
具体应用特征为：MAX16804电流调节器可工作在5.5V至40V输入电压范围内，提供35mA至350mA电流来驱动一串或多串高亮度LED (HB LED)。MAX16804输出电流的大小通过一个与LED串联的外部检流电阻来调节。双模式DIM引脚和片上200Hz斜坡发生器使用模拟或PWM控制信号来实现PWM亮度调节（见图2(a)(b)所示）。给亮度控制输入端DIM施加模拟控制信号允许实现“剧院(theater)”式亮度控制效果。快速的开通/关闭时间允许使用宽范围的PWM工作，波形整形电路可以使EMI最小化。差分电流检测输入提高了LED电流精度和噪声抑制能力。MAX16804非常适合要求高压输入的应用，并能够承受高达45V的汽车抛负载事件。片上调整元件大大减少了外部元件数目，并提供3%的输出电流精度。该器件还提供5V稳压输出以及短路保护和热保护等特性。可接收外部PWM信号（高达2kHz），5.5V至40V工作电压范围，3% LED电流精度，内置调整元件及低压差（典型值0.5V）， 额外的片上+5V稳压输出，具备2mA电流容量和差分LED电流检测，其200mV低电流检测基准降低了功耗。MAX16804采用小尺寸、热增强型、5mm×5mm、20引脚TQFN封装，具备-40℃至+125℃工作温度范围。
关于双模式DIM引脚施加二种信号实现亮度控制的应用说明。可从图2(a)与图2(b)所示可见。其图2(a)为亮度控制输入端DIM施加模拟控制信号应用示意图，而图2(b)为亮度控制输入端DIM施加PWM控制信号应用示意图。
关于MAX16804功耗 
MAX16804能够耗散2.758W的功率，该应用中，STOP模式下功耗最大，按照PMAX=(VIN-VLED)×350mA公式计算最大功耗。
其中，VIN为IN引脚的输入电压，VLED为LED串的正向导通电压，350mA是通过跳线J1设置的最大LED电流。绝大部分器件功耗通过裸焊盘耗散掉，为了改善散热，应将裸焊盘焊接在同等面积的电路板焊盘上，并使用多个过孔连接裸焊盘与地层的覆铜区域。注意：MAX16804评估板在25℃室温环境下能够耗散最大额定功率，当环境温度较高时所能耗散的功率有所降低。为避免IC进入热关断状态，高温下应适当降低功耗。可下载(PDF)获取电路板所采用的元件列表以及PCB布局图。
关于应用
由MAX16804特性可知，它在应用上可在以下二个方面成为最佳选择：其一是汽车外部包含组合尾灯(RCL)、日间行驶灯(DRL)、自适应前车灯；其二是汽车内部包含地图、顶灯、 门控车室照明灯。
1.4 关于新型尾灯工作状态说明
行驶照明工作状态
从图1看出，TAIL输入产生固定的0.78V电压给DIM端（从+5V稳压输出产生），驱动器将该电压转换成20%的PWM占空比，进而调节LED电流。TAIL模式下的PWM占空比与TAIL端的输入电压无关，由电阻分压器R1/R2设置TAIL模式下的DIM电压。如果要求占空比设置不等于20%，可按照下式(1)计算相应的DIM电压(VDIM)：
                       (1)
其中，D为所要求的占空比。可按照式2选择R1和R2，以满足DIM电压的要求：
                       (2)
其中，0.6V为二级管D2的正向导通电压，5V为稳压器输出，VDIM是所要求的DIM引脚电压，以满足PWM占空比的要求。为了避免由于DIM端输入偏置电流的变化影响DIM电压，R2选择在20kΩ左右。
刹车工作状态 
为了得到100%的占空比，DIM电压需要设置在3.1V以上，STOP端作用输入电压时，DIM端通过D3获得足够的驱动电压，确保100%的PWM占空比。此时，无论TAIL端输入何种电压，都将以350mA连续电流驱动LED。
LED电流设置 
MAX16804评估板电路可以通过跳线J1设置三种不同的电流（140mA、240mA或350mA）。如需不同的电流设置，可按照下式(3)计算检流电阻（R3或R4）。
                       (3)
其中，0.198V为检流电压，IOUT为所要求的LED电流，单位为安培。
上电顺序 
LED+接LED或LED串的阳极，LED-连接到LED或LED串的阴极；为了获得350mA的LED电流，选择连接J1的引脚1和2；STOP模式下，电源电压连接在STOP(+)和GND(-)之间，电压最小值为6V，比LED正向导通电压至少高出1.4V；TAIL模式下，移掉STOP电源，将电源电压连接在TAIL(+)和GND(-)之间。
2 基于摄像头的车前远光灯辅助控制系统
提供汽车前方交通空间的最佳照明，并且不对驾驶员和其他车辆产生干扰，是最重要的任务。如今已有远光灯辅助系统、自适应明暗界线系统等防眩远光灯用途的智能化远光灯系统闻世或将闻世。
基于摄像头的远光灯辅助控制系统 
众所周知，汽车前照灯的第一档是远光灯辅助系统，若能在汽车前照灯其中一侧或另一侧辅以侧面视野，照明效果将更为理想。只有在采用更多智能化技术之后，这种系统才会变得舒适和可靠。因此现代化系统均采用摄像头作为成像传感器，并且利用性能强大的图像处理软件和先进的车灯技术来实现理想的效果。那就是基于摄像头的远光灯辅助控制系统（见图3所示），它能给予车道最佳照明，并且不干扰驾驶员和迎面而来的车辆。这相比之一，比那种并非其它车辆光源引起的眩光就采用近光灯和远光灯之间急促更换的简单系统来说其效果要理想得多。
其中自动调整灯光分布技术是一种具有自适应明暗界线系统，它是对基本上只能在两种状态之间转换的远光灯辅助系统的改进。自动调整灯光分布系统可连续、自动调整近光灯的光分布以及与前车和迎面来车之间的照明距离。它除了拥有图像处理功能在内的摄像头之外，还包括一个动态工作的车灯模块。这种通过图像数据控制的驾驶辅助系统能通过滚筒产生不同的光分布投射到车道上。可以将防眩大灯最大照明距离提高到200米。这对目前常见的近光灯照射距离止于车前大约65米处，能保证驾驶员有更远的视野是十分必要的。
应用该自动调整灯光分布技术正在以新型投射模块为基础研制防眩远光灯。该系统能在数毫秒之内通过步进电机使得位于光源和透镜之间的滚筒进入所需的位置之中，由此可以有针对性地挡住远光灯的某些区域，使驾驶员几乎能够持续使用远光灯行驶。此外，该远光灯还附带反转功能，即示宽灯，可利用摄像头系统探测目标、路边行人，还可进行辅助照明。
大功率LED在远光灯行驶技术与产品的应用
该项持续使用远光灯行驶技术与产品除了用氙大灯模块和大灯照射距离调节装置之外，其大灯已用大功率LED，其因就在于大功率LED作为光源用于照明具有以下显著优点：节能，它会超过低压钠灯成为光效最高的光源；寿命长，产品寿命长达50000h；瞬时启动特性和环保，无有害金属汞。
3 基于视频传感器及网络的防撞击辅助系统的构建与应用
3.1 问题的提出
当今由于三分之二的交通死亡事故都发生在公路或高速公路行驶中，其大多数是因超车失败而造成的，因此那里就成为汽车安全行驶系统的主要应用区域。因此不少制造厂正在研发与照明相关的安全行驶装置--全方位实时捡测的防撞击辅助系统。由于该系统应用了视频环境传感器和激光传感器的等复杂技术，所以它除了在LCD屏幕上能及时识别危险的超车路径外，还能防撞或躲避车道上突然出现的障碍物，并能实现对制动功能的及时干预。
特别令人欣慰的是该类新系统的出现，除了具有上述处理这种紧急情况的功能之外还能分析和化解具有迎面疾驶而来车辆的超车路径。为了获得汽车周围的环境数据，实验车辆使用了视频传感器和激光测距传感器及雷达传感器。为此将其道路、草地、车辆、天空、灌木／森林、车道标记、建筑物以及其他构筑物均被建成模型。其中视频传感器及网络应用是全方位实时捡测的防撞击辅助系统中的新技术。值此本节侧重于视频传感器理念与产品及实际感知应用状况作说明。
3.2 视频传感器及网络的应用
视频传感器新理念
视频传感器是一种描述数字图像分析技术。由于传感器技术的快速发展，使我们能够获得成本低廉的图像、视频传感器（如CMOS摄像头）成为可能。对于视频传感器而言，我们的选择可谓灵活多样：无论是昂贵的相机、高分辨率数字相机，还是低廉的网络相机、手机相机，甚至是成本更低廉的微型相机。
可应于防撞击辅助系统的新型视频传感器例举
目前，新款支持电子稳像(EIS)的1/3英寸原生全高清(HD) 1080p60视频传感器是一种有效选择。该传感器可支持所有高清视频模式（1080p60、1080p30和720p60），同时不会影响视野范围，这对消费便携式DV机、摄录机、网络摄像头、体育摄影机和视频会议摄影机等应用而言是一个巨大的优势。如全新AR0330型其功能完善，采用新型2.2微米像素设计以及创新的Aptina A-Pix像素技术（如Aptina A-Pix型），能够以60fps的速度流畅捕捉全高清视频，具有卓越的微光性能以及超乎寻常的整体色彩和视频质量。凭借3x3传感器上像素合并模式，AR0330还支持WVGA，提供120fps和240fps的高速影像捕捉选项，并具有创新的慢镜头视频功能。除了出色的数字摄影性能之外，AR0330还支持独特的多长宽比格式，因此可捕捉3.2MP静态图像。此外AR0330它还支持多种串行接口规格，包括四通道HiSPi™和四通道MIPI®，使设计人员能够更灵活地选择图像处理解决方案。
新款OV9740 CMOS手机摄像头传感器，它支持720p视频拍摄，但和以往不同的是，整个视频和图像处理工作由内置的芯片自行完成，更令人意外的是，包含了处理芯片的整套装置的厚度不到3.2mm。
激光测距传感器应用
利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。即：传输时间激光测距虽然原理简单、结构简单。
传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。例如应用新型CM3-30高速激光测距传感器就是一典例。它是由基于脉冲飞行时间高集成技术模块构成。它的优点是非接触性、非干扰性，高速、精确、高分辨率和宽测量范围，不需要特殊的反射镜，尺寸小、重量轻、低耗能，是用于智能交通理想选择。
视频传感器与激光测距传感器技术在防撞击辅助系统中的感知应用状况
凭借环境数据的获取和车辆数据就会生成对自身车辆和其他环境客体所期待的行驶路径（轨迹）的预测。这样就可以对干预的必要性做出决定并产生干预的指令，随后干预将全自动进行。视频数据起到发现汽车前物体和空间的作用。
而激光扫描仪以90毫秒的周期获取汽车之前一个22.5°区域的数据（每1.5°扫描一次），通过光脉冲时间的测量确定至下一个物体的距离，这种传感器的典型应用领域称之为激光测距，它属自适应巡航控制。
视频传感器建立在一台单色的CMOS图像传感器基础之上，它每0.04秒提供一次数据，其数据获取的视域宽度为44°，0.07°的分辨率明显优于一般激光扫描仪。借助图象处理算法可以在视频图象中识别出车辆尾部的正视图和车道标记；然而无法进行直接的距离测量。而距离测量是通过基于高速激光测距传感器的激光扫描仪以90毫秒的周期获取汽车之前一个22.5°区域的数据（每1.5°扫描一次），通过光脉冲时间的测量确定至下一个物体的距离，这种传感器的典型应用领域称之为激光测距，它属自适应巡航控制。由此该类视频传感器与激光测距的典型应用可构成车道偏离警告装置。
上述车道偏离警告装置中车辆尾部的正视图、车道标记这些信息可将与雷达数据在物体跟踪和网格基础上的环境表示中合并，即通过视频数据和雷达数据的合成产生汽车周围环境的电子图象并由此构成情最分析的基础。该系统不断计算自身、前方行驶和可能迎面驶来车辆的位置并确定安全超车的距离是否足够。如果驶出行驶道时系统确定会对迎面驶来的或被超的车辆造成危险，就会对驾驶员以不断增加的强度发出警告，以使他取消超车行为。
需要提醒的是防撞击辅助系统还需有制动、转向和组合转向制动功能才能避免碰撞。那是为什么呐？这是因为：对干预决定来说需要计算，在至冲撞地点的何种距离上需要采取干预措施，才能阻止碰撞的发生；对一次制动来说需要计算制动距离。转向时需要知道计划的偏离路径，只有这样才能计算出需要提前多长距离转向，以便不与“敌对的”物体碰撞。为此可通过光学的警告，即通过汽车仪表盘上的显示产生。而声学的警告通过语音警告以及借助主动动态油门的触觉反馈产生。
上述危险超车报警系统在司机对危险警告没有做出反应或对其忽视的危险的超车情况下，超车辅助系统可以使汽车紧急制动，即驾驶员在前车之后再次驶回车道，超车行为将被化解，由此将基于视频传感器及网络的防撞击辅助系统称之为实时感知的防撞击辅助系统。
3.3 基于视频传感器网络构建的防撞击辅助系统相继应运而生
面临新的挑战 
目前，传感器网络研究主要集中于在能量受限的传感器节点上实现简单的环境数据（如温度、湿度、光强等）采集、处理与传输。然而，随着监测环境的日趋复杂多变，由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对各类目标（活动物体，如车辆或障碍物等）的监测的全面需求，迫切需要将数据量大、内容丰富的图像、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的对各类目标监测活动中来，实现细粒度、精准信息的目标监测。
视频传感器网络的架构 
它是由一组具有计算、存储和通信能力的视频传感器节点组成的分布式感知网络。它借助于节点上视频传感器感知所在周边目标（活动物体，如车辆）与环境的图像、视频信息，通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚节点，汇聚节点对监测数据进行分析，实现全面而有效的各类目标的监测，见图4所示。它是一个典型的视频传感器网络通常由视频传感器节点、汇聚节点(sink)和控制中心等构成。
其视频传感器节点散布在指定的感知区域内，其采集的数据沿着其它视频传感器节点逐跳传送到汇聚节点，最后通过Internet网络或通信卫星到达控制中心。用户通过控制中心对视频传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
由此基于视频传感器网络构建的全天侯感知功能的防撞击辅助系统将更可成为汽车行驶更安全更可靠的公共平台。