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1 設計任務及采用的器件 1．1 設計任務 (1)設計出小型化的地面傳感器系統，可在一定范圍內識別人員、輪式和履帶車輛目標，并發送識別結果到接收顯示子系統。探測范圍200－400米。 (2)技術參數：額定輸入電壓DC 12V，采用78M05轉換出DC 5V的電壓供DSP系統、無線收發模塊和異步串口使用。 (3)具有系統自檢和準確顯示識別結果的功能。 1．2 采用的器件 采用TMS320VC5509A數字信號處理芯片作為地面傳感器系統的主控芯片。 TMS320VC5509A是一種高性能16位定點數字信號處理器，其資源可以完成震動和聲信號采樣和目標識別功能。傳感器調理及放大電路的主要器件是美國TI公司生產的OPA4336。其他主要器件如下： SDRAM(HY57V64 1 620ETP)、FLASH(Am29LV8OOD)、CPLD(EPM570T100C5N)、TL16C550C 。 2 系統硬件設計 地面傳感器系統主要由DSP小系統、傳感器的調理及放大電路、異步串口通信電路、無線收發模塊四部分組成。此系統通過震動和聲音傳感器采集地面運動目標發出的信號，由傳感器調理及放大電路送入DSP進行特征分析與識別，再將識別的結果通過異步串口傳送給無線收發模塊傳回指揮所。系統硬件框架如圖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 DSP小系統的電源采用DC 5V和TLV1117－3．3及TLV1117－ADJ穩壓芯片提供3．3V與1．6V兩種電壓，并用JTAG口硬件仿真并下載程序，SDRAM用于動態存儲采集到的數據，FLASH保存DSP運行程序，待復位后重新載入DSP內部RAM中運行，CPLD負責外圍器件的選擇控制。DSP通過16根數據總線和14根地址總線通過CPLD與SDRAM、FLASH、串口進行通信。DSP怍為系統的核心，完成信號采集、過零數分析、短時能量分析、動態時間規整算法(DTW)等處理過程。 2．3 傳感器調理及放大電路 地震動傳感器應能探測到200m以內的運動車輛及20m以內人員腳步的信號，聲音傳感器則能感受到600m以內的車輛噪聲。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。設計一種低功耗、低噪聲、高增益放大電路，是本系統的關鍵技術之一。考慮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上添加了低通濾波電路(如圖中C28、C38)以進一步抑制環境噪聲。 OPA4336提供了4個獨立的放大器。系統放大電路由兩級組成：兩個對稱的同相放大器U6A和U6C構成第一級，U6B為第二級差動放大器，U6D是聲音放大器。傳感器的調理及放大電路如圖2所示。 兩級放大電路，既滿足電路穩定性要求，又提供一定倍數的增益。 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。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轉換接口。 3 系統軟件設計 本系統主要采用時域過零數分析、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的目標識別方法。 系統上電復位以后將DSP和外設初始化，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性，系統先采集地震動信號，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分析，如果大于300，則可以認為是車輛信號，然后必需調用聲音信號分析，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。如果過零數小于300，則可以判定信號是脈沖信號。必需調用聲音信號分析，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。本實驗數據源于美國分布式無線傳感網絡數據庫：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分率達到90％，對兩種車輛目標的區分率達到80％。 4 結語 采用抗共模干擾和抑制漂移的兩級放大電路設計，提高了信號采集的精度。運用DSP實現地面傳感器系統能夠較準確地識別地面運動目標，實現了數據實時處理和識別，縮短了探測系統的反應時間。 |
