無人值守地面傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 設(shè)計(jì)任務(wù)及采用的器件
1．1 設(shè)計(jì)任務(wù)
(1)設(shè)計(jì)出小型化的地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)，可在一定范圍內(nèi)識(shí)別人員、輪式和履帶車輛目標(biāo)，并發(fā)送識(shí)別結(jié)果到接收顯示子系統(tǒng)。探測范圍200－400米。
(2)技術(shù)參數(shù)：額定輸入電壓DC 12V，采用78M05轉(zhuǎn)換出DC 5V的電壓供DSP系統(tǒng)、無線收發(fā)模塊和異步串口使用。
(3)具有系統(tǒng)自檢和準(zhǔn)確顯示識(shí)別結(jié)果的功能。
1．2 采用的器件
采用TMS320VC5509A數(shù)字信號(hào)處理芯片作為地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)的主控芯片。TMS320VC5509A是一種高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其資源可以完成震動(dòng)和聲信號(hào)采樣和目標(biāo)識(shí)別功能。傳感器調(diào)理及放大電路的主要器件是美國TI公司生產(chǎn)的OPA4336。其他主要器件如下：
SDRAM(HY57V64 1 620ETP)、FLASH(Am29LV8OOD)、CPLD(EPM570T100C5N)、TL16C550C 。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)主要由DSP小系統(tǒng)、傳感器的調(diào)理及放大電路、異步串口通信電路、無線收發(fā)模塊四部分組成。此系統(tǒng)通過震動(dòng)和聲音傳感器采集地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)，由傳感器調(diào)理及放大電路送入DSP進(jìn)行特征分析與識(shí)別，再將識(shí)別的結(jié)果通過異步串口傳送給無線收發(fā)模塊傳回指揮所。系統(tǒng)硬件框架如圖1
圖1硬件框架
2．1 傳感器的選擇
2．1．1 震動(dòng)傳感器。
選用小型化DX20動(dòng)圈磁電式傳感器作為地震動(dòng)信號(hào)傳感器。
2．1．2 聲音傳感器
選用733A01型聲音傳感器作為聲音動(dòng)信號(hào)傳感器。
2．2 DSP小系統(tǒng)
DSP小系統(tǒng)的電源采用DC 5V和TLV1117－3．3及TLV1117－ADJ穩(wěn)壓芯片提供3．3V與1．6V兩種電壓，并用JTAG口硬件仿真并下載程序，SDRAM用于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH保存DSP運(yùn)行程序，待復(fù)位后重新載入DSP內(nèi)部RAM中運(yùn)行，CPLD負(fù)責(zé)外圍器件的選擇控制。DSP通過16根數(shù)據(jù)總線和14根地址總線通過CPLD與SDRAM、FLASH、串口進(jìn)行通信。DSP怍為系統(tǒng)的核心，完成信號(hào)采集、過零數(shù)分析、短時(shí)能量分析、動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法(DTW)等處理過程。
2．3 傳感器調(diào)理及放大電路
地震動(dòng)傳感器應(yīng)能探測到200m以內(nèi)的運(yùn)動(dòng)車輛及20m以內(nèi)人員腳步的信號(hào)，聲音傳感器則能感受到600m以內(nèi)的車輛噪聲。如此遠(yuǎn)距離條件下，由傳感器檢測得到的目標(biāo)信號(hào)很微弱，通常只有mV級(jí)。如此小的信號(hào)必須先經(jīng)過前置放大和預(yù)處理后才能進(jìn)行采集處理。另外，由于小型化的要求，信號(hào)放大處理電路功耗應(yīng)盡量小。設(shè)計(jì)一種低功耗、低噪聲、高增益放大電路，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。考慮到地震動(dòng)信號(hào)的頻率均為150 Hz以下，而車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)的噪聲頻率在250Hz左右，所以在放大器的基礎(chǔ)上添加了低通濾波電路(如圖中C28、C38)以進(jìn)一步抑制環(huán)境噪聲。
OPA4336提供了4個(gè)獨(dú)立的放大器。系統(tǒng)放大電路由兩級(jí)組成：兩個(gè)對(duì)稱的同相放大器U6A和U6C構(gòu)成第一級(jí)，U6B為第二級(jí)差動(dòng)放大器，U6D是聲音放大器。傳感器的調(diào)理及放大電路如圖2所示。
為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，在電路設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格保證各級(jí)反饋電阻的平衡匹配。嚴(yán)格保證R6＝R15，R8=R13，R9=R14，R10=R12。整個(gè)放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)為：
兩級(jí)放大電路，既滿足電路穩(wěn)定性要求，又提供一定倍數(shù)的增益。
每一級(jí)放大電路都附加了一個(gè)一階低通濾波器以消除較高頻環(huán)境噪聲。選用合適的阻值容值，就可把信號(hào)限制在某一頻率范圍內(nèi)。此外，由于采用單電源模式，供電電壓為3．3V，因此需提供一偏置電壓將參考電平拉高1．6V，以保證信號(hào)的完整性；為了電源去耦，應(yīng)在電源引腳和印制線路板上與運(yùn)放參考端之間連接一個(gè)旁路電容。同時(shí)該電容在元器件布局時(shí)應(yīng)盡量靠近運(yùn)放電源引腳。圖中IN+和IN-分別接震動(dòng)傳感器的兩個(gè)引腳，VOICE接聲音傳感器，AIN0和AIN1分別接DSP的兩個(gè)A／D轉(zhuǎn)換接口。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要采用時(shí)域過零數(shù)分析、時(shí)域短時(shí)能量分析和頻譜相似性識(shí)別的方法將目標(biāo)區(qū)可能引起的激勵(lì)分為人員、輪式車輛、履帶車輛和沖擊性干擾四種屬性。下面分別介紹本系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別方法。
系統(tǒng)上電復(fù)位以后將DSP和外設(shè)初始化，寫DSP的CLKMD寄存器進(jìn)入空閑模式，等待中斷喚醒，此時(shí)功耗極低(大概為0．05mW)。當(dāng)震動(dòng)信號(hào)超門限，則模擬比較器觸發(fā)DSP外部中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。寫CLKMD寄存器進(jìn)入鎖相模式，DSP開始工作，關(guān)中斷啟動(dòng)AIN0采集2s震動(dòng)信號(hào)，然后啟動(dòng)AIN1采集1s聲信號(hào)，并存儲(chǔ)于FLASH中。(由于目標(biāo)激勵(lì)的連續(xù)性，系統(tǒng)先采集地震動(dòng)信號(hào)，再采集聲信號(hào)，忽略1秒鐘的時(shí)間差，不影響識(shí)別效果。)對(duì)采集到的地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行過零數(shù)分析，如果大于300，則可以認(rèn)為是車輛信號(hào)，然后必需調(diào)用聲音信號(hào)分析，進(jìn)行時(shí)域加窗、歸一化、求平均值向量這些預(yù)處理以后再經(jīng)過聲信號(hào)頻譜相似性識(shí)別，可以將目標(biāo)分為輪式車輛和履帶車輛。如果過零數(shù)小于300，則可以判定信號(hào)是脈沖信號(hào)。必需調(diào)用聲音信號(hào)分析，如果短時(shí)能量大則可認(rèn)為是炮彈爆炸等大音量的沖擊式干擾。如果短時(shí)能量小則可認(rèn)為是人員在接近。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源于美國分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫：http：／／WWW．ece．wise．edu／sensit。通過對(duì)人員、輪式車和履帶車輛在三種地面行駛的各10個(gè)測試樣本進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別率達(dá)到了對(duì)人員目標(biāo)的區(qū)分率達(dá)到90％，對(duì)兩種車輛目標(biāo)的區(qū)分率達(dá)到80％。
3 結(jié)語
采用抗共模干擾和抑制漂移的兩級(jí)放大電路設(shè)計(jì)，提高了信號(hào)采集的精度。運(yùn)用DSP實(shí)現(xiàn)地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和識(shí)別，縮短了探測系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。