摘要：基于靜電感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器及DSP的電子圍欄。系統(tǒng)工作時(shí)，在發(fā)射線上加上一定頻率的方波信號(hào)，當(dāng)有入侵者接近圍欄時(shí)，接收線上的信號(hào)幅度即發(fā)生變化，檢測器對(duì)信號(hào)分析處理后，主機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。硬件設(shè)計(jì)采用雙處理器結(jié)構(gòu)，其中DSP用于信號(hào)采集和處理，單片機(jī)用于系統(tǒng)控制。軟件仿真在LabWindows環(huán)境下完成，在此給出了仿真過程和仿真結(jié)果，還給出了系統(tǒng)的工作原理、整體方案、硬件設(shè)計(jì)，軟件算法設(shè)計(jì)及仿真。通過系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行，結(jié)果良好，誤報(bào)率低，克服了傳統(tǒng)電子圍欄的缺陷。
關(guān)鍵詞：靜電感應(yīng)；電子圍欄；LabWindows／CVI；DSP54xx
0 引言
電子圍欄是防盜系統(tǒng)數(shù)字化的產(chǎn)物，其目的是對(duì)受保護(hù)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)有非法人員入侵保護(hù)區(qū)域或從保護(hù)區(qū)域中逃脫時(shí)，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并及時(shí)通知防護(hù)人員對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行確認(rèn)。目前市場上電子圍欄監(jiān)控系統(tǒng)主要有視頻監(jiān)控系統(tǒng)、紅外對(duì)射周界報(bào)警系統(tǒng)、靜電感應(yīng)式電子圍欄等。視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場合。目前，在國內(nèi)外市場上，主要分為數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類。視頻監(jiān)控系統(tǒng)正處在數(shù)控模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)混合應(yīng)用并將逐漸向數(shù)字系統(tǒng)過渡的階段。紅外對(duì)射周界報(bào)警系統(tǒng)是對(duì)外圍周界進(jìn)行防范和控制管理的系統(tǒng)，由發(fā)射端和接收端組成射束網(wǎng)，當(dāng)有人跨界時(shí)，則有2束或4束紅外線被遮擋切斷，接收端輸出報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)控制主機(jī)報(bào)警。視頻監(jiān)控系統(tǒng)和紅外對(duì)射防盜系統(tǒng)適合倉庫、小區(qū)等小范圍的安全防護(hù)。本文介紹的基于虛擬儀器及DSP的靜電感應(yīng)式電子圍欄應(yīng)用靜電場感應(yīng)原理。系統(tǒng)工作時(shí)在發(fā)射線上加上一定頻率的方波信號(hào)，當(dāng)入侵者接近圍欄時(shí)接收線上的信號(hào)幅度就會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)檢測器分析處理后，主機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這種電子圍欄無盲區(qū)、無死角，前端圍欄是有形的圍欄，可以隨著地形高低起伏任意架設(shè)，能夠很好地適應(yīng)各種環(huán)境。
1 系統(tǒng)原理及總體設(shè)計(jì)方案
1．1 靜電感應(yīng)原理
在感應(yīng)場區(qū)有電感耦合和電容耦合2種形式，在高阻抗的高頻電路中容易產(chǎn)生電容耦合。
如圖1所示，設(shè)導(dǎo)體g上加有高頻電壓Eg，另一導(dǎo)體s作為感受器，導(dǎo)體與大地之間的分布電容為Cs，導(dǎo)體g與導(dǎo)體s間的分布電容為Ggs，則g在s上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：
當(dāng)Cs和Cgs發(fā)生變化時(shí)，Us就隨之而發(fā)生變化。本系統(tǒng)中就是根據(jù)測量Us的變化來判斷是否有人非法侵入，如果Us的變化超過報(bào)警門限值，系統(tǒng)將發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。
1．2 靜電感應(yīng)式電子圍欄工作原理
工作原理如圖2所示，把一個(gè)方波信號(hào)加在發(fā)射線圈上，接收線圈上同時(shí)也會(huì)有感應(yīng)電壓存在。當(dāng)有人靠近感應(yīng)線圈時(shí)，由于人的介電常數(shù)大于空氣的介電常數(shù)，這時(shí)接收線和地之間的分布電容Cs增大，同時(shí)發(fā)射線和地之間、發(fā)射線和接受線之間的分布電容都會(huì)有變化，但在本系統(tǒng)中可以忽略。由式(1)可得，當(dāng)Cs增大時(shí)，接收線電壓幅度Us會(huì)下降，根據(jù)電壓下降幅度，即可以判斷是否有人入侵。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用雙處理器的結(jié)構(gòu)，DSP(TMS320VC5402)用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，單片機(jī)(STC89LE58RD+)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。兩個(gè)處理器之間通過HPI總線完成通信，STC89LE58RD+為主機(jī)，TMS320VC5402為從機(jī)，由于單片機(jī)上沒有HPI總線接口，因此用單片機(jī)的幾個(gè)I／O口模擬HPI總線與TMS320VC5402通信。數(shù)據(jù)采集芯片(AIC23B)與DSP的MCBPS口相連，MCBPS0口用來與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DSP通過MCBPS2口初使化AIC23 B。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
由于數(shù)據(jù)運(yùn)算量大，需要較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，DSP外擴(kuò)了一片6416。為了節(jié)省資源，把DSP的程序存儲(chǔ)區(qū)放到單片機(jī)的內(nèi)部FLASH中。
方波信號(hào)通過單片機(jī)用定時(shí)器中斷方式將一個(gè)I／O端口上的信號(hào)取反。用光電隔離的方法提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將光耦輸出信號(hào)加在脈沖變壓器的初級(jí)，其輸出端產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。發(fā)射信號(hào)的電壓幅度較高，但電流值極小，不會(huì)對(duì)人或動(dòng)物造成傷害。
8位撥碼開關(guān)的低4位用來設(shè)置本機(jī)地址，高4位設(shè)置發(fā)射端的發(fā)射信號(hào)頻率值。遠(yuǎn)程監(jiān)控通過RS 485總線完成，有人人侵或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)單片機(jī)即向遠(yuǎn)端監(jiān)控室發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。
2．2 DSP-C54x的片外設(shè)備
C54x系列所有芯片的CPU結(jié)構(gòu)完全相同，但是它們片內(nèi)集成的CPU外圍電路卻不盡相同。以C5402為例，片外設(shè)備包括可編程PLL的時(shí)鐘發(fā)生器、2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)多通道緩沖串口、片內(nèi)存儲(chǔ)器、DMA控制器和外設(shè)總線控制器等，如圖4所示。
C54x DSP與AIC23B的引腳連接原理圖如圖5所示。AIC23B的控制接口以SPI方式與DSP的MCBSP2(由于C5402只有MCBSP0／1，對(duì)C5402指的是MCBSP1)通信，此時(shí)AIC23B為從設(shè)備，MCBSP2的接收時(shí)鐘與AIC23B的SCLK信號(hào)全部由MCBSP2的時(shí)鐘提供；與AIC23B進(jìn)行數(shù)據(jù)接口的MCBSP0工作在從屬模式下，此時(shí)AIC23B為主設(shè)備，MCBSP0的發(fā)送與接收時(shí)鐘均由AIC23B的BCLK信號(hào)提供。
3 軟件算法設(shè)計(jì)及仿真
軟件設(shè)計(jì)在LabWindows平臺(tái)下進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場應(yīng)用中均得到了正確的仿真結(jié)果，并且具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和可移植性。
3．1 數(shù)據(jù)采集
本軟件用聲卡完成數(shù)據(jù)采集，在LabWindows／CVI下對(duì)聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的控制。LabWindows／CVI下聲卡的控制可以直接調(diào)用自帶函數(shù)，也可以調(diào)用VC++中的API函數(shù)，本設(shè)計(jì)調(diào)用了API函數(shù)。聲卡采集數(shù)據(jù)流程如圖6所示。
3．2 數(shù)據(jù)處理
系統(tǒng)通過檢測接收端電壓的變化幅度來判斷是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)，因此要對(duì)接收到的交流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字整流，以便判斷電壓的變化幅度。數(shù)據(jù)處理框圖如圖7所示。
3．2．1 帶通濾波器的設(shè)計(jì)
在仿真程序中帶通濾波器直接調(diào)用LabWindows／CVI中的Bw_BPF的函數(shù)。但在DSP中數(shù)字帶通濾波器必須自己設(shè)計(jì)，IIR濾波器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分為直接I型，直接Ⅱ型，級(jí)聯(lián)型和并聯(lián)型。
直接I型的結(jié)構(gòu)需要2N級(jí)延遲單元，直接Ⅱ型與I型相比節(jié)省了1／2延遲，即需要N級(jí)延遲單元，是最常用的IIR濾波器結(jié)構(gòu)之一。如圖8是直接Ⅱ型結(jié)構(gòu)圖。
IIR濾波器的設(shè)計(jì)工具，除了可以利用一些專用的濾波器設(shè)計(jì)工具程序外，也可以利用Matlab來設(shè)計(jì)。
3．2．2 數(shù)字整流以及均值濾波算法
數(shù)字整流是將一個(gè)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)取平均值。由于數(shù)字整流后的波形不是很平滑，震動(dòng)幅度比較大，因此必須再通過一次中值濾波得到比較平滑波形，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。均值濾波流程圖如圖9所示。
3．3 系統(tǒng)仿真與分析
3．3．1 仿真結(jié)果
圖10是沒有人接近感應(yīng)線時(shí)的波形顯示，圖11為有人接近感應(yīng)線后的波形顯示。兩圖對(duì)比，圖11中的波形有明顯的下降，波形微分值也發(fā)生了相應(yīng)的變化。
3．3．2 系統(tǒng)的抗干擾性分析
當(dāng)有小動(dòng)物接近感應(yīng)線圈時(shí)，接收線的電壓幅度也會(huì)下降，但是由于人體對(duì)感應(yīng)線圈感應(yīng)電容的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小動(dòng)物，因此接收線電壓下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人接近時(shí)的下降幅度，所以設(shè)定幾個(gè)不同報(bào)警門閾值，就能將人和其他動(dòng)物區(qū)別開來。在雨雪天由于空氣濕度發(fā)生變化，空氣介電常數(shù)也發(fā)生了變化，導(dǎo)致系統(tǒng)的分布電容發(fā)生變化，但是這個(gè)變化極小，對(duì)本系統(tǒng)幾乎無影響。
由于系統(tǒng)基于電磁感應(yīng)原理，會(huì)受到外部電磁干擾，尤其是相鄰系統(tǒng)間的干擾。為了解決這個(gè)問題，在相鄰系統(tǒng)的發(fā)射線上加了不同頻率的方波信號(hào)，避免了相鄰系統(tǒng)間的干擾。本設(shè)計(jì)中，選用了3 kHz，5 kHz，7 kHz的方波信號(hào)，相鄰系統(tǒng)的發(fā)射端得到不同的發(fā)射信號(hào)。接收端收到信號(hào)以后采用了以發(fā)射端信號(hào)頻率為中心頻率、帶寬為1 kHz的帶通濾波，濾波后去掉干擾信號(hào)得到有用信號(hào)。
3．3．3 單系統(tǒng)防護(hù)距離
隨著感應(yīng)線圈長度的變化，線圈和地之間的分布電容也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，感應(yīng)線圈越長，分布電容越大。在感應(yīng)線很長時(shí)，人接近感應(yīng)線后，分布電容的變化較小，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)靈敏度下降，所以單系統(tǒng)的防護(hù)距離不宜太長，限定150 m內(nèi)為宜。
4 結(jié)語
經(jīng)過軟件仿真和現(xiàn)場測試，得到了正確的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析以后，證明整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法是正確的?；谔摂M儀器及DSP的靜電感應(yīng)式電子圍欄系統(tǒng)的前端圍欄帶有高壓脈沖電給入侵者極大威懾，有形圍欄給入侵者帶來了很多阻礙，若強(qiáng)行人侵，則系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲、光報(bào)警，并可以與其他安防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)(如防盜報(bào)警主機(jī)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、110報(bào)警等)。該電子圍欄能適應(yīng)各種環(huán)境，且誤報(bào)率極低，克服了傳統(tǒng)的紅外、微波等技術(shù)的缺陷，報(bào)警基本不受氣候、地形、樹木、小動(dòng)物等影響。