基于虛擬儀器及DSP的靜電感應式電子圍欄設計

摘要：基于靜電感應原理，設計了一種基于虛擬儀器及DSP的電子圍欄。系統(tǒng)工作時，在發(fā)射線上加上一定頻率的方波信號，當有入侵者接近圍欄時，接收線上的信號幅度即發(fā)生變化，檢測器對信號分析處理后，主機發(fā)出報警信號。硬件設計采用雙處理器結(jié)構(gòu)，其中DSP用于信號采集和處理，單片機用于系統(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、硬件設計，軟件算法設計及仿真。通過系統(tǒng)試驗運行，結(jié)果良好，誤報率低，克服了傳統(tǒng)電子圍欄的缺陷。
關(guān)鍵詞：靜電感應；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，其目的是對受保護區(qū)域進行監(jiān)控，當有非法人員入侵保護區(qū)域或從保護區(qū)域中逃脫時，將發(fā)出報警信號，并及時通知防護人員對報警信息進行確認。目前市場上電子圍欄監(jiān)控系統(tǒng)主要有視頻監(jiān)控系統(tǒng)、紅外對射周界報警系統(tǒng)、靜電感應式電子圍欄等。視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應用于許多場合。目前，在國內(nèi)外市場上，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。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)混合應用并將逐漸向數(shù)字系統(tǒng)過渡的階段。紅外對射周界報警系統(tǒng)是對外圍周界進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)，當有人跨界時，則有2束或4束紅外線被遮擋切斷，接收端輸出報警信號，觸發(fā)控制主機報警。視頻監(jiān)控系統(tǒng)和紅外對射防盜系統(tǒng)適合倉庫、小區(qū)等小范圍的安全防護。本文介紹的基于虛擬儀器及DSP的靜電感應式電子圍欄應用靜電場感應原理。系統(tǒng)工作時在發(fā)射線上加上一定頻率的方波信號，當入侵者接近圍欄時接收線上的信號幅度就會發(fā)生變化，經(jīng)檢測器分析處理后，主機發(fā)出報警信號。這種電子圍欄無盲區(qū)、無死角，前端圍欄是有形的圍欄，可以隨著地形高低起伏任意架設，能夠很好地適應各種環(huán)境。

1 系統(tǒng)原理及總體設計方案
1．1 靜電感應原理
在感應場區(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，設導體g上加有高頻電壓Eg，另一導體s作為感受器，導體與大地之間的分布電容為Cs，導體g與導體s間的分布電容為Ggs，則g在s上產(chǎn)生的感應電壓為：

當Cs和Cgs發(fā)生變化時，Us就隨之而發(fā)生變化。本系統(tǒng)中就是根據(jù)測量Us的變化來判斷是否有人非法侵入，如果Us的變化超過報警門限值，系統(tǒng)將發(fā)出相應的報警信號。

1．2 靜電感應式電子圍欄工作原理
工作原理如圖2所示，把一個方波信號加在發(fā)射線圈上，接收線圈上同時也會有感應電壓存在。當有人靠近感應線圈時，由于人的介電常數(shù)大于空氣的介電常數(shù)，這時接收線和地之間的分布電容Cs增大，同時發(fā)射線和地之間、發(fā)射線和接受線之間的分布電容都會有變化，但在本系統(tǒng)中可以忽略。由式(1)可得，當Cs增大時，接收線電壓幅度Us會下降，根據(jù)電壓下降幅度，即可以判斷是否有人入侵。

2 系統(tǒng)硬件設計
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)用來進行數(shù)據(jù)采集及處理，單片機(STC89LE58RD+)對整個系統(tǒng)進行控制。兩個處理器之間通過HPI總線完成通信，STC89LE58RD+為主機，TMS320VC5402為從機，由于單片機上沒有HPI總線接口，因此用單片機的幾個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口用來與DSP進行數(shù)據(jù)傳輸，DSP通過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)運算量大，需要較大的數(shù)據(jù)存儲空間，DSP外擴了一片6416。為了節(jié)省資源，把DSP的程序存儲區(qū)放到單片機的內(nèi)部FLASH中。
方波信號通過單片機用定時器中斷方式將一個I／O端口上的信號取反。用光電隔離的方法提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將光耦輸出信號加在脈沖變壓器的初級，其輸出端產(chǎn)生發(fā)射信號。發(fā)射信號的電壓幅度較高，但電流值極小，不會對人或動物造成傷害。
8位撥碼開關(guān)的低4位用來設置本機地址，高4位設置發(fā)射端的發(fā)射信號頻率值。遠程監(jiān)控通過RS 485總線完成，有人人侵或系統(tǒng)發(fā)生故障時單片機即向遠端監(jiān)控室發(fā)出相應的報警信號。