摘 要： 在分析竊賊盜竊汽車常用手法的基礎(chǔ)上,，優(yōu)選了汽車防盜" title="汽車防盜">汽車防盜監(jiān)測(cè)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(guó)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(shí)作為振動(dòng)傳感器和傾角傳感器的兩種不同的敏感器件設(shè)計(jì)方案,，并對(duì)采用該傳感器的信息處理方法進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞： 汽車防盜 加速度傳感器 振動(dòng) 傾斜
現(xiàn)代汽車的防盜系統(tǒng)通常采用對(duì)車體的沖擊,、振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式防盜預(yù)警,，常用的器件多為磁效應(yīng)傳感器。雖然磁效應(yīng)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(yīng)不穩(wěn)定，會(huì)造成后續(xù)信號(hào)處理電路和微控制器接口電路比較復(fù)雜,，致使系統(tǒng)報(bào)警的可靠性降低,，誤報(bào)率較高。另外,，拖車或整車搬運(yùn)的方法也是目前竊賊盜竊汽車常用的手段,，對(duì)付這種盜竊方式最有效的方法是對(duì)車體的傾斜角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而磁效應(yīng)傳感器無(wú)法測(cè)量靜態(tài)加速度,，不能對(duì)車體的傾斜角度進(jìn)行測(cè)量,，也就無(wú)法對(duì)這種盜竊方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警?？傊?，利用磁效應(yīng)傳感器不能很好地完成防盜監(jiān)測(cè)的任務(wù)，這就需要一種更合理,、更可靠的傳感器件來(lái)替代,。
ADXL202是AD公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)采用MEMS工藝制作的低價(jià)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(cè)量0~5kHz,、±2g范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)加速度，60Hz時(shí)分辨率為2mg,，可以數(shù)字,、模擬信號(hào)" title="模擬信號(hào)">模擬信號(hào)形式輸出，體積僅為5mm×5mm×2mm,；可以對(duì)車體微小振動(dòng)和整車的傾斜角度同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè),。將其應(yīng)用于汽車防盜系統(tǒng)不但擴(kuò)大了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍，而且簡(jiǎn)化了系統(tǒng),，提高了防盜系統(tǒng)報(bào)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(jī)理[1]
1.1 利用ADXL202進(jìn)行加速度測(cè)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(gè)相互獨(dú)立、測(cè)量方向相互垂直的敏感元的測(cè)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(gè)極板，電容的另一極板固定,。當(dāng)加速度引起質(zhì)量塊的相對(duì)位置變化時(shí),，電容值也發(fā)生變化,；兩個(gè)敏感元的信號(hào)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(hào)，經(jīng)工作周期調(diào)制(DCM)后,，就能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)" title="數(shù)字信號(hào)">數(shù)字信號(hào),，通過(guò)引腳XOUT、YOUT進(jìn)行輸出,。另外,，ADXL202還可以通過(guò)XFILT、YFILT引腳輸出模擬信號(hào),。
1.2 ADXL202引腳功能簡(jiǎn)介
ADXL202的封裝形式為L(zhǎng)CC-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(cè),，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(dāng)于作用800mg加速度的輸出信號(hào),，測(cè)試這個(gè)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(shè)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(hào),；引腳XFILT、YFILT外加濾波電容,，用以設(shè)置檢測(cè)信號(hào)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(jìn)行數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)輸出。
在采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí),，只要利用微處理器的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器端口分別采集信號(hào)的工作周期脈寬T1和工作周期的時(shí)間長(zhǎng)度T2,，利用公式(1)就可以得出被測(cè)加速度的值。計(jì)算公式為：
A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5%?? (1)
信號(hào)示意圖如圖3所示,。
在采用模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí),，可以直接采用從XFILT、YFILT引腳輸出的模擬信號(hào),，也可以將XOUT,、YOUT引腳輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行RC濾波,，重新恢復(fù)成模擬信號(hào),。第一種方法輸出的信號(hào)帶寬比較寬,，但需外加電壓跟隨器才能帶負(fù)載；第二種方法可以對(duì)輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大,，但頻率響應(yīng)特性較低,。采用何種輸出方式應(yīng)根據(jù)具體的使用條件來(lái)確定。
2 采用ADXL202的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
由于竊賊盜竊汽車時(shí)會(huì)引起車體的振動(dòng)或傾斜現(xiàn)象,，而ADXL202能夠測(cè)量0~5kHz,、±2g范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)加速度。動(dòng)態(tài)加速度的測(cè)量可以用于振動(dòng)檢測(cè),；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(shè)計(jì)
ADXL202采用3V直流電源供電,，為降低電源對(duì)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(gè)供電電源,，在電源與VDD間需增加一個(gè)100Ω的電阻,，以減小數(shù)字信號(hào)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的干擾。
T2引腳外接625kΩ的RSET電阻,，將輸出的數(shù)字信號(hào)周期確定為5ms,，即頻率為200Hz。從XOUT,、YOUT引腳輸出的數(shù)字信號(hào)直接送到微處理器的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器端口,，以便進(jìn)行重力加速度的測(cè)量，以得出車體傾角的變化,。從XFILT,、YFILT引腳輸出的模擬信號(hào)經(jīng)電壓跟隨器提高負(fù)載能力后，送入微處理器的A/D端口,，以對(duì)車體微小振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,。
汽車防盜中，車體傾斜角度的測(cè)量要求其信號(hào)的噪聲必須很小,，這就要限制信號(hào)帶寬,。而對(duì)于振動(dòng)的測(cè)量，則需要10~200Hz的較寬信號(hào)范圍[2],。首先,，將XFILT、YFILT引腳的濾波電容CX,、CY設(shè)定為0.027μF,，這樣輸出的數(shù)字、模擬信號(hào)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(hào)分別經(jīng)過(guò)低通濾波和高通濾波,，就可以獲得傾斜,、振動(dòng)監(jiān)測(cè)所需帶寬的信號(hào)。將ADXL202同時(shí)作為振動(dòng)測(cè)量和傾角測(cè)量傳感器的方案原理圖如圖4所示,。
2.2 傾斜角度的測(cè)量
對(duì)于拖車或整車搬運(yùn)的盜竊方式,，如果車體的角度相對(duì)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(cè)量值通過(guò)XOUT,、YOUT端口輸出的數(shù)字信號(hào)得到。由于經(jīng)XFILT,、YFILT端口的電容低通濾波,，信號(hào)帶寬為200Hz，則根據(jù)ADXL202的噪聲計(jì)算公式[1]為：
其中,，Noise為噪聲的幾何平均值,，BW為信號(hào)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(hào)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(dāng)于ADXL202輸出的數(shù)字信號(hào)改變約87mg，這樣14.4mg的噪聲水平就顯得過(guò)高了,。因?yàn)槠谕脑肼曀阶疃嗖荒艹^(guò)信號(hào)的十分之一,，即8.7mg。將XOUT,、YOUT端口輸出的200Hz數(shù)字信號(hào)進(jìn)行16次采樣,，并將采得的信號(hào)取平均值，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字低通濾波,，將信號(hào)的帶寬降為12.5Hz,。此時(shí)的噪聲水平為：
取置信區(qū)間95.4%，則信號(hào)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(cè)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(dá)到8.5℃,，溫度漂移很可能造成虛假報(bào)警，必須對(duì)其限制,?？梢岳密浖⒎制鬟M(jìn)行信號(hào)處理，即如果ADXL202的輸出變化率大于87mg/min,，就認(rèn)為有警情,；如果小于這個(gè)數(shù)值,，就可以認(rèn)為是由于溫度變化引起的溫度漂移，不予報(bào)警,。
2.3 汽車微小振動(dòng)的測(cè)量
通過(guò)對(duì)車體微小振動(dòng)的測(cè)量,，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)破壞車體行為的監(jiān)測(cè)。若在一個(gè)較短時(shí)間段內(nèi),，振動(dòng)的能量超過(guò)設(shè)定的閾值，就可以判定有破壞汽車的情況發(fā)生,。
監(jiān)測(cè)汽車微小振動(dòng)所需信號(hào)由XFILT,、YFILT端口獲得。雖然在XFILT,、YFILT端口輸出的模擬信號(hào)已經(jīng)過(guò)200Hz低通濾波,，但仍需將信號(hào)再經(jīng)10Hz高通濾波，才能達(dá)到振動(dòng)監(jiān)測(cè)所需的10~200Hz帶寬要求,。另外,，從XFILT、YFILT端口輸出的模擬信號(hào)負(fù)載能力很弱,，可以將帶通濾波后的信號(hào)送入電壓跟隨器,，以提高其負(fù)載能力，然后,，將信號(hào)送入微處理器內(nèi)部的A/D端口進(jìn)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(cè)量振動(dòng)的能量，是將微處理器記錄的16次振幅采樣值的絕對(duì)值求和,，即可得到40ms內(nèi)振動(dòng)的能量,。如果這個(gè)絕對(duì)值之和超過(guò)設(shè)定的數(shù)字閾值，微處理器就可以進(jìn)行報(bào)警,。
利用加速度傳感器ADXL202組成的防盜監(jiān)測(cè)裝置,，不但擁有傳統(tǒng)汽車防盜傳感器件的靈敏性，而且擴(kuò)大了汽車防盜的監(jiān)測(cè)范圍(可以對(duì)拖車和整車搬運(yùn)的盜竊方式進(jìn)行預(yù)警),，而且還簡(jiǎn)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(yīng)傳感器等傳統(tǒng)敏感元件,，成為汽車防盜監(jiān)測(cè)信號(hào)的可靠敏感器件,。另外，ADXL202在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備,、信息產(chǎn)品,、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等方面也有著廣泛的應(yīng)用,。
參考文獻(xiàn)
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