無人值守地面傳感器系統(tǒng)設(shè)計
1 設(shè)計任務及采用的器件
1．1 設(shè)計任務
(1)設(shè)計出小型化的地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)，可在一定范圍內(nèi)識別人員、輪式和履帶車輛目標，并發(fā)送識別結(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)自檢和準確顯示識別結(jié)果的功能。
1．2 采用的器件
采用TMS320VC5509A數(shù)字信號處理芯片作為地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)的主控芯片。TMS320VC5509A是一種高性能16位定點數(shù)字信號處理器，其資源可以完成震動和聲信號采樣和目標識別功能。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
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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
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)通過震動和聲音傳感器采集地面運動目標發(fā)出的信號，由傳感器調(diào)理及放大電路送入DSP進行特征分析與識別，再將識別的結(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 震動傳感器。
選用小型化DX20動圈磁電式傳感器作為地震動信號傳感器。
2．1．2 聲音傳感器
選用733A01型聲音傳感器作為聲音動信號傳感器。
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用于動態(tài)存儲采集到的數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH保存DSP運行程序，待復位后重新載入DSP內(nèi)部RAM中運行，CPLD負責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、串口進行通信。DSP怍為系統(tǒng)的核心，完成信號采集、過零數(shù)分析、短時能量分析、動態(tài)時間規(guī)整算法(DTW)等處理過程。
2．3 傳感器調(diào)理及放大電路
地震動傳感器應能探測到200m以內(nèi)的運動車輛及20m以內(nèi)人員腳步的信號，聲音傳感器則能感受到600m以內(nèi)的車輛噪聲。如此遠距離條件下，由傳感器檢測得到的目標信號很微弱，通常只有mV級。如此小的信號必須先經(jīng)過前置放大和預處理后才能進行采集處理。另外，由于小型化的要求，信號放大處理電路功耗應盡量小。設(shè)計一種低功耗、低噪聲、高增益放大電路，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一?？紤]到地震動信號的頻率均為150 Hz以下，而車輛運動時的噪聲頻率在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)以進一步抑制環(huán)境噪聲。
OPA4336提供了4個獨立的放大器。系統(tǒng)放大電路由兩級組成：兩個對稱的同相放大器U6A和U6C構(gòu)成第一級，U6B為第二級差動放大器，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)計過程中嚴格保證各級反饋電阻的平衡匹配。嚴格保證R6＝R15，R8=R13，R9=R14，R10=R12。整個放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)為：
兩級放大電路，既滿足電路穩(wěn)定性要求，又提供一定倍數(shù)的增益。
每一級放大電路都附加了一個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，以保證信號的完整性；為了電源去耦，應在電源引腳和印制線路板上與運放參考端之間連接一個旁路電容。同時該電容在元器件布局時應盡量靠近運放電源引腳。圖中IN+和IN-分別接震動傳感器的兩個引腳，VOICE接聲音傳感器，AIN0和AIN1分別接DSP的兩個A／D轉(zhuǎn)換接口。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)主要采用時域過零數(shù)分析、時域短時能量分析和頻譜相似性識別的方法將目標區(qū)可能引起的激勵分為人員、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)的目標識別方法。
系統(tǒng)上電復位以后將DSP和外設(shè)初始化，寫DSP的CLKMD寄存器進入空閑模式，等待中斷喚醒，此時功耗極低(大概為0．05mW)。當震動信號超門限，則模擬比較器觸發(fā)DSP外部中斷，進入中斷服務程序。寫CLKMD寄存器進入鎖相模式，DSP開始工作，關(guān)中斷啟動AIN0采集2s震動信號，然后啟動AIN1采集1s聲信號，并存儲于FLASH中。(由于目標激勵的連續(xù)性，系統(tǒng)先采集地震動信號，再采集聲信號，忽略1秒鐘的時間差，不影響識別效果。)對采集到的地震動信號進行過零數(shù)分析，如果大于300，則可以認為是車輛信號，然后必需調(diào)用聲音信號分析，進行時域加窗、歸一化、求平均值向量這些預處理以后再經(jīng)過聲信號頻譜相似性識別，可以將目標分為輪式車輛和履帶車輛。如果過零數(shù)小于300，則可以判定信號是脈沖信號。必需調(diào)用聲音信號分析，如果短時能量大則可認為是炮彈爆炸等大音量的沖擊式干擾。如果短時能量小則可認為是人員在接近。本實驗數(shù)據(jù)源于美國分布式無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫：http：／／WWW．ece．wise．edu／sensit。通過對人員、輪式車和履帶車輛在三種地面行駛的各10個測試樣本進行識別，識別率達到了對人員目標的區(qū)分率達到90％，對兩種車輛目標的區(qū)分率達到80％。
3 結(jié)語
采用抗共模干擾和抑制漂移的兩級放大電路設(shè)計，提高了信號采集的精度。運用DSP實現(xiàn)地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)能夠較準確地識別地面運動目標，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時處理和識別，縮短了探測系統(tǒng)的反應時間。