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(shè)計方案，并對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 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(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，會造成后續(xù)信號處理電路和微控制器接口電路比較復(fù)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(jìn)行監(jiān)測，而磁效應(yīng)傳感器無法測量靜態(tài)加速度，不能對車體的傾斜角度進(jìn)行測量，也就無法對這種盜竊方式進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。總之，利用磁效應(yīng)傳感器不能很好地完成防盜監(jiān)測的任務(wù)，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(shè)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(jìn)行監(jiān)測。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(jī)理[1]
1.1 利用ADXL202進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(dāng)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(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；引腳XFILT、YFILT外加濾波電容，用以設(shè)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(jìn)行數(shù)字信號或模擬信號輸出。
在采用數(shù)字信號進(jìn)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(jìn)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(jìn)行RC濾波，重新恢復(fù)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(fù)載；第二種方法可以對輸出的模擬信號進(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)具體的使用條件來確定。
2 采用ADXL202的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(jìn)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(fù)載能力后，送入微處理器的A/D端口，以對車體微小振動進(jìn)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(shè)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(dāng)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(jìn)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(dá)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(jìn)行信號處理，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(shè)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(dá)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(fù)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(fù)載能力，然后，將信號送入微處理器內(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(shè)定的數(shù)字閾值，微處理器就可以進(jìn)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(kuò)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(jìn)行預(yù)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(yīng)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(jī)外圍設(shè)備、信息產(chǎn)品、運動監(jiān)測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