中心論題：
- 磁效應(yīng)加速度傳感器的不足。
- 加速度傳感器ADXL202的工作機(jī)理。
- ADXL202的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
解決方案：
- 雙軸加速度傳感器擴(kuò)大了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。
- 電容式加速度傳感器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
- 利用靜態(tài)的重力加速度作為輸入矢量確定物體的空間方向。
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)的方法也是目前竊賦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O～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)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)管的可靠性。因此,選定其作為汽車防盜系統(tǒng)的傳感器件。
加速度傳感器ADXL202的工作機(jī)理
a 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l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,電容的另一極扳固定。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),通過引腳XOUTYOUT進(jìn)行輸出。另外,ADXL202還可以通過XFILT、YFILT引腳輸出模擬信號(hào)。
b 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。
c 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：
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)具體的使用條件來確定。
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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)引起車俸的振動(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。
a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O．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XEILT、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。首先,將XFILY、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。
b 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：
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高了。因?yàn)槠谕脑肼曀阶疃嗖荒艹^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：
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。
c 汽車微小振動(dòng)的測(cè)量
通過對(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、YFITL端口輸出的模擬信號(hào)已經(jīng)過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)送人微處理器內(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),徽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。
