基于虛擬儀器及DSP的靜電感應(yīng)式電子圍欄設(shè)計(jì)

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(cè)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)合。目前，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)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(lèi)。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(guò)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(cāng)庫(kù)、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(chǎng)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(cè)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(wú)盲區(qū)、無(wú)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(chǎng)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(cè)量Us的變化來(lái)判斷是否有人非法侵入，如果Us的變化超過(guò)報(bào)警門(mén)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(lái)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(guò)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(méi)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(lái)與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DSP通過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)的低4位用來(lái)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(guò)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)。