無(wú)人值守地面傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

? 系統(tǒng)上電復(fù)位以后將DSP和外設(shè)初始化，寫DSP的CLKMD寄存器進(jìn)入空閑模式，等待中斷喚醒，此時(shí)功耗極低(大概為0．05mW)。當(dāng)震動(dòng)信號(hào)超門限，則模擬比較器觸發(fā)DSP外部中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。寫CLKMD寄存器進(jìn)入鎖相模式，DSP開(kāi)始工作，關(guān)中斷啟動(dòng)AIN0采集2s震動(dòng)信號(hào)，然后啟動(dòng)AIN1采集1s聲信號(hào)，并存儲(chǔ)于FLASH中。(由于目標(biāo)激勵(lì)的連續(xù)性，系統(tǒng)先采集地震動(dòng)信號(hào)，再采集聲信號(hào)，忽略1秒鐘的時(shí)間差，不影響識(shí)別效果。)對(duì)采集到的地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行過(guò)零數(shù)分析，如果大于300，則可以認(rèn)為是車輛信號(hào)，然后必需調(diào)用聲音信號(hào)分析，進(jìn)行時(shí)域加窗、歸一化、求平均值向量這些預(yù)處理以后再經(jīng)過(guò)聲信號(hào)頻譜相似性識(shí)別，可以將目標(biāo)分為輪式車輛和履帶車輛。如果過(guò)零數(shù)小于300，則可以判定信號(hào)是脈沖信號(hào)。必需調(diào)用聲音信號(hào)分析，如果短時(shí)能量大則可認(rèn)為是炮彈爆炸等大音量的沖擊式干擾。如果短時(shí)能量小則可認(rèn)為是人員在接近。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源于美國(guó)分布式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)：http：／／WWW．ece．wise．edu／sensit。通過(guò)對(duì)人員、輪式車和履帶車輛在三種地面行駛的各10個(gè)測(cè)試樣本進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別率達(dá)到了對(duì)人員目標(biāo)的區(qū)分率達(dá)到90％，對(duì)兩種車輛目標(biāo)的區(qū)分率達(dá)到80％。

3 結(jié)語(yǔ)
??? 采用抗共模干擾和抑制漂移的兩級(jí)放大電路設(shè)計(jì)，提高了信號(hào)采集的精度。運(yùn)用DSP實(shí)現(xiàn)地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和識(shí)別，縮短了探測(cè)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。

2．3 傳感器調(diào)理及放大電路
??? 地震動(dòng)傳感器應(yīng)能探測(cè)到200m以內(nèi)的運(yùn)動(dòng)車輛及20m以內(nèi)人員腳步的信號(hào)，聲音傳感器則能感受到600m以內(nèi)的車輛噪聲。如此遠(yuǎn)距離條件下，由傳感器檢測(cè)得到的目標(biāo)信號(hào)很微弱，通常只有mV級(jí)。如此小的信號(hào)必須先經(jīng)過(guò)前置放大和預(yù)處理后才能進(jìn)行采集處理。另外，由于小型化的要求，信號(hào)放大處理電路功耗應(yīng)盡量小。設(shè)計(jì)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。考慮到地震動(dòng)信號(hào)的頻率均為150 Hz以下，而車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jìn)一步抑制環(huán)境噪聲。
??? OPA4336提供了4個(gè)獨(dú)立的放大器。系統(tǒng)放大電路由兩級(jí)組成：兩個(gè)對(duì)稱的同相放大器U6A和U6C構(gòu)成第一級(jí)，U6B為第二級(jí)差動(dòng)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(jì)過(guò)程中嚴(yán)格保證各級(jí)反饋電阻的平衡匹配。嚴(yán)格保證R6＝R15，R8=R13，R9=R14，R10=R12。整個(gè)放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)為：
????
??? 兩級(jí)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(jí)放大電路都附加了一個(gè)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(hào)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(hào)的完整性；為了電源去耦，應(yīng)在電源引腳和印制線路板上與運(yùn)放參考端之間連接一個(gè)旁路電容。同時(shí)該電容在元器件布局時(shí)應(yīng)盡量靠近運(yùn)放電源引腳。圖中IN+和IN-分別接震動(dòng)傳感器的兩個(gè)引腳，VOICE接聲音傳感器，AIN0和AIN1分別接DSP的兩個(gè)A／D轉(zhuǎn)換接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 本系統(tǒng)主要采用時(shí)域過(guò)零數(shù)分析、時(shí)域短時(shí)能量分析和頻譜相似性識(shí)別的方法將目標(biāo)區(qū)可能引起的激勵(lì)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(biāo)識(shí)別方法。

?系統(tǒng)上電復(fù)位以后將DSP和外設(shè)初始化，寫DSP的CLKMD寄存器進(jìn)入空閑模式，等待中斷喚醒，此時(shí)功耗極低(大概為0．05mW)。當(dāng)震動(dòng)信號(hào)超門限，則模擬比較器觸發(fā)DSP外部中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。寫CLKMD寄存器進(jìn)入鎖相模式，DSP開(kāi)始工作，關(guān)中斷啟動(dòng)AIN0采集2s震動(dòng)信號(hào)，然后啟動(dòng)AIN1采集1s聲信號(hào)，并存儲(chǔ)于FLASH中。(由于目標(biāo)激勵(lì)的連續(xù)性，系統(tǒng)先采集地震動(dòng)信號(hào)，再采集聲信號(hào)，忽略1秒鐘的時(shí)間差，不影響識(shí)別效果。)對(duì)采集到的地震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行過(guò)零數(shù)分析，如果大于300，則可以認(rèn)為是車輛信號(hào)，然后必需調(diào)用聲音信號(hào)分析，進(jìn)行時(shí)域加窗、歸一化、求平均值向量這些預(yù)處理以后再經(jīng)過(guò)聲信號(hào)頻譜相似性識(shí)別，可以將目標(biāo)分為輪式車輛和履帶車輛。如果過(guò)零數(shù)小于300，則可以判定信號(hào)是脈沖信號(hào)。必需調(diào)用聲音信號(hào)分析，如果短時(shí)能量大則可認(rèn)為是炮彈爆炸等大音量的沖擊式干擾。如果短時(shí)能量小則可認(rèn)為是人員在接近。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源于美國(guó)分布式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)：http：／／WWW．ece．wise．edu／sensit。通過(guò)對(duì)人員、輪式車和履帶車輛在三種地面行駛的各10個(gè)測(cè)試樣本進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別率達(dá)到了對(duì)人員目標(biāo)的區(qū)分率達(dá)到90％，對(duì)兩種車輛目標(biāo)的區(qū)分率達(dá)到80％。

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3 結(jié)語(yǔ)
??? 采用抗共模干擾和抑制漂移的兩級(jí)放大電路設(shè)計(jì)，提高了信號(hào)采集的精度。運(yùn)用DSP實(shí)現(xiàn)地面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和識(shí)別，縮短了探測(cè)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。