摘 要： 在分析竊賊盜竊汽車常用手法的基礎上,，優(yōu)選了汽車防盜" title="汽車防盜">汽車防盜監(jiān)測所需的傳感器件。探討了在汽車防盜系統(tǒng)" title="汽車防盜系統(tǒng)">汽車防盜系統(tǒng)中,，將美國AD公司生產(chǎn)的加速度傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器ADXL202同時作為振動傳感器和傾角傳感器的兩種不同的敏感器件設計方案,，并對采用該傳感器的信息處理方法進行了探討。
關鍵詞： 汽車防盜 加速度傳感器 振動 傾斜
現(xiàn)代汽車的防盜系統(tǒng)通常采用對車體的沖擊,、振動監(jiān)測的方式防盜預警,，常用的器件多為磁效應傳感器。雖然磁效應加速度傳感器的敏感性能很好,，但由于磁傳感器存在裝配,、安裝誤差，其頻率響應不穩(wěn)定,，會造成后續(xù)信號處理電路和微控制器接口電路比較復雜,，致使系統(tǒng)報警的可靠性降低,，誤報率較高。另外,，拖車或整車搬運的方法也是目前竊賊盜竊汽車常用的手段,，對付這種盜竊方式最有效的方法是對車體的傾斜角度進行監(jiān)測，而磁效應傳感器無法測量靜態(tài)加速度,，不能對車體的傾斜角度進行測量,，也就無法對這種盜竊方式進行監(jiān)測預警?？傊?，利用磁效應傳感器不能很好地完成防盜監(jiān)測的任務，這就需要一種更合理,、更可靠的傳感器件來替代,。
ADXL202是AD公司設計生產(chǎn)采用MEMS工藝制作的低價格、低功耗,、單芯片集成雙軸加速度傳感器,，3~5.25V單電源供電，工作電流小于6mA,，可以測量0~5kHz、±2g范圍內(nèi)動態(tài)或靜態(tài)加速度,，60Hz時分辨率為2mg,，可以數(shù)字、模擬信號" title="模擬信號">模擬信號形式輸出,，體積僅為5mm×5mm×2mm,；可以對車體微小振動和整車的傾斜角度同時進行監(jiān)測。將其應用于汽車防盜系統(tǒng)不但擴大了系統(tǒng)的監(jiān)測范圍,，而且簡化了系統(tǒng),，提高了防盜系統(tǒng)報警的可靠性。因此,，選定其作為汽車防盜系統(tǒng)的傳感器件,。
1 加速度傳感器ADXL202的工作機理[1]
1.1 利用ADXL202進行加速度測量的基本原理
ADXL202的模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在單一芯片上集成兩個相互獨立,、測量方向相互垂直的敏感元的測量模塊,，是由多晶硅微加工表面工藝制成的電容式加速度傳感器；由硅片表面的彈性結(jié)構(gòu)支撐起的質(zhì)量塊下面貼附電容的一個極板,，電容的另一極板固定,。當加速度引起質(zhì)量塊的相對位置變化時，電容值也發(fā)生變化,；兩個敏感元的信號處理電路將各自的電容變化轉(zhuǎn)換成幅值與加速度成正比的方波信號,，經(jīng)工作周期調(diào)制(DCM)后,，就能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號" title="數(shù)字信號">數(shù)字信號，通過引腳XOUT,、YOUT進行輸出,。另外，ADXL202還可以通過XFILT,、YFILT引腳輸出模擬信號,。
1.2 ADXL202引腳功能簡介
ADXL202的封裝形式為LCC-8，其封裝和引腳的示意圖如圖2所示,。
引腳ST用于芯片自測,，VDD上電后，ST在靜電力的作用下,，輸出的工作循環(huán)脈寬改變10%左右,，相當于作用800mg加速度的輸出信號，測試這個引腳就可以用于判斷芯片是否正常工作,；引腳T2需外接RSET電阻,，在0.5ms~10ms范圍內(nèi)設置工作循環(huán)周期T2；引腳COM作為公共接地端,；引腳XOUT,、YOUT用于輸出數(shù)字信號；引腳XFILT,、YFILT外加濾波電容,，用以設置檢測信號的帶寬范圍，VDD引腳作為芯片供電電源輸入端,。
1.3 加速度值的確定
加速度傳感器可以分別利用XOUT,、YOUT引腳和XFILT、YFILT引腳進行數(shù)字信號或模擬信號輸出,。
在采用數(shù)字信號進行測量時,，只要利用微處理器的計數(shù)器/定時器端口分別采集信號的工作周期脈寬T1和工作周期的時間長度T2，利用公式(1)就可以得出被測加速度的值,。計算公式為：
A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5%?? (1)
信號示意圖如圖3所示,。
在采用模擬信號進行測量時，可以直接采用從XFILT,、YFILT引腳輸出的模擬信號,，也可以將XOUT、YOUT引腳輸出的數(shù)字信號進行RC濾波,，重新恢復成模擬信號,。第一種方法輸出的信號帶寬比較寬，但需外加電壓跟隨器才能帶負載,；第二種方法可以對輸出的模擬信號進行放大,，但頻率響應特性較低,。采用何種輸出方式應根據(jù)具體的使用條件來確定。
2 采用ADXL202的汽車防盜系統(tǒng)設計方案
由于竊賊盜竊汽車時會引起車體的振動或傾斜現(xiàn)象,，而ADXL202能夠測量0~5kHz,、±2g范圍內(nèi)動態(tài)或靜態(tài)加速度。動態(tài)加速度的測量可以用于振動檢測,；而利用靜態(tài)的重力加速度作為輸入矢量,，就可以確定物體的空間方向。
2.1 整體方案設計
ADXL202采用3V直流電源供電,，為降低電源對傳感器的干擾,，在引腳VDD和公共接地端COM之間需連接0.1μF的去耦電容。由于芯片與微處理器共用一個供電電源,，在電源與VDD間需增加一個100Ω的電阻,，以減小數(shù)字信號對傳感器輸出信號的干擾。
T2引腳外接625kΩ的RSET電阻,，將輸出的數(shù)字信號周期確定為5ms,，即頻率為200Hz。從XOUT,、YOUT引腳輸出的數(shù)字信號直接送到微處理器的計數(shù)器/定時器端口,，以便進行重力加速度的測量，以得出車體傾角的變化,。從XFILT,、YFILT引腳輸出的模擬信號經(jīng)電壓跟隨器提高負載能力后，送入微處理器的A/D端口,，以對車體微小振動進行測量,。
汽車防盜中,，車體傾斜角度的測量要求其信號的噪聲必須很小,，這就要限制信號帶寬。而對于振動的測量,，則需要10~200Hz的較寬信號范圍[2],。首先，將XFILT,、YFILT引腳的濾波電容CX,、CY設定為0.027μF，這樣輸出的數(shù)字,、模擬信號的帶寬全都限制在200Hz以下,，再將ADXL202輸出的帶寬為200Hz的數(shù)字和模擬信號分別經(jīng)過低通濾波和高通濾波，就可以獲得傾斜,、振動監(jiān)測所需帶寬的信號,。將ADXL202同時作為振動測量和傾角測量傳感器的方案原理圖如圖4所示,。
2.2 傾斜角度的測量
對于拖車或整車搬運的盜竊方式，如果車體的角度相對于初始狀態(tài)改變5°,，就可判定有盜車情況發(fā)生,。
傾斜角度測量值通過XOUT、YOUT端口輸出的數(shù)字信號得到,。由于經(jīng)XFILT,、YFILT端口的電容低通濾波，信號帶寬為200Hz,，則根據(jù)ADXL202的噪聲計算公式[1]為：
其中,，Noise為噪聲的幾何平均值，BW為信號帶寬, f(Hz)為頻率,。則其噪聲平均水平為：
取置信區(qū)間95.4%,，則信號噪聲的峰-峰值為：
4×Noise(rms)=4×3.6mg=14.4mg(3)
如果ADXL202的敏感軸從水平位置變化了5°，就相當于ADXL202輸出的數(shù)字信號改變約87mg,，這樣14.4mg的噪聲水平就顯得過高了,。因為期望的噪聲水平最多不能超過信號的十分之一，即8.7mg,。將XOUT,、YOUT端口輸出的200Hz數(shù)字信號進行16次采樣，并將采得的信號取平均值,，就可以實現(xiàn)數(shù)字低通濾波,，將信號的帶寬降為12.5Hz。此時的噪聲水平為：
取置信區(qū)間95.4%,，則信號噪聲的峰-峰值為：
4×Noise(rms)=4×0.9mg=3.6mg
這種噪聲水平完全可以滿足系統(tǒng)要求,。
ADXL202的溫度變化系數(shù)為2mg/℃,在監(jiān)測的0°~5°傾角范圍內(nèi)，每改變1°,，輸出約改變17mg,。由于室外晝夜溫差很可能達到8.5℃，溫度漂移很可能造成虛假報警,，必須對其限制,。可以利用軟件微分器進行信號處理,，即如果ADXL202的輸出變化率大于87mg/min,，就認為有警情；如果小于這個數(shù)值,，就可以認為是由于溫度變化引起的溫度漂移,，不予報警。
2.3 汽車微小振動的測量
通過對車體微小振動的測量,，可以實現(xiàn)對破壞車體行為的監(jiān)測,。若在一個較短時間段內(nèi),，振動的能量超過設定的閾值，就可以判定有破壞汽車的情況發(fā)生,。
監(jiān)測汽車微小振動所需信號由XFILT,、YFILT端口獲得。雖然在XFILT,、YFILT端口輸出的模擬信號已經(jīng)過200Hz低通濾波,，但仍需將信號再經(jīng)10Hz高通濾波，才能達到振動監(jiān)測所需的10~200Hz帶寬要求,。另外,，從XFILT、YFILT端口輸出的模擬信號負載能力很弱,，可以將帶通濾波后的信號送入電壓跟隨器,，以提高其負載能力，然后,，將信號送入微處理器內(nèi)部的A/D端口進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,。根據(jù)采樣定理(Nyquist Criteria)[3]，微處理器采樣頻率定為400Hz,，即每2.5ms采樣一次,。
利用軟件積分器測量振動的能量，是將微處理器記錄的16次振幅采樣值的絕對值求和,，即可得到40ms內(nèi)振動的能量,。如果這個絕對值之和超過設定的數(shù)字閾值，微處理器就可以進行報警,。
利用加速度傳感器ADXL202組成的防盜監(jiān)測裝置,，不但擁有傳統(tǒng)汽車防盜傳感器件的靈敏性，而且擴大了汽車防盜的監(jiān)測范圍(可以對拖車和整車搬運的盜竊方式進行預警),，而且還簡化了系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu),，提高了系統(tǒng)可靠性。ADXL202完全可以取代磁效應傳感器等傳統(tǒng)敏感元件,，成為汽車防盜監(jiān)測信號的可靠敏感器件,。另外,，ADXL202在計算機外圍設備,、信息產(chǎn)品、運動監(jiān)測等方面也有著廣泛的應用,。
參考文獻
1 Low-cost Dual-axis accelerometer with duty cycle output. ADXL202E technical note. Analog Device, 2000:1~12
2 Weinberg H, Lemaire C. Using the ADXL202 acceler-ometer as a multifunction sensor in car alarms. technical note. Analog Device,1998:1~4
3 Miroslav D L, Dejan V T, Brian L E. Filter Design for signal processing using MATLab and mathematica.Beijing:Publishing House of Electronics Industry, 2004：7~10