中心論題：
- 磁效應加速度傳感器的不足。
- 加速度傳感器ADXL202的工作機理。
- ADXL202的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計方案。
解決方案：
- 雙軸加速度傳感器擴大了系統(tǒng)的監(jiān)測范圍并簡化了系統(tǒng)。
- 電容式加速度傳感器實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
- 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)通常采用對車體的沖擊、振動監(jiān)測的方式防盜預警,常用的器件多為磁效應傳感器。雖然磁效應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賦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行監(jiān)測,而磁效應傳感器無法測量靜態(tài)加速度,不能對車體的傾斜角度進行測量,也就無法對這種盜竊方式進行監(jiān)測預警。總之,利用磁效應傳感器不能很好地完成防盜監(jiān)測的任務,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O～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行監(jiān)測。將其應用于汽車防盜系統(tǒng)不但擴大了系統(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的工作機理
a 利用ADXL202進行加速度測量的基本原理
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,電容的另一極扳固定。當加速度引起質(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,通過引腳XOUTYOUT進行輸出。另外,ADXL202還可以通過XFILT、YFILT引腳輸出模擬信號。
b 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。
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引腳進行數(shù)字信號或模擬信號輸出。
在采用數(shù)字信號進行測量時,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：
信號示意圖如圖3所示。
在采用模擬信號進行測量時,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)字信號進行RC濾波,重新恢復成模擬信號。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載;第二種方法可以對輸出的模擬信號進行放大,但頻率響應特性較低。采用何種輸出方式應根據(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)計方案
由于竊賊盜竊汽車時會引起車俸的振動或傾斜現(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。
a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O．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,以便進行重力加速度的測量,以得出車體傾角的變化。從XEILT、YFILT引腳輸出的模擬信號經(jīng)電壓跟隨器提高負載能力后,送入微處理器的A/D端口,以對車體微小振動進行測量。
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。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。
b 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：
如果ADXl202的敏感軸從水平位置變化了5°,就相當于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：
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到8．5℃,溫度漂移很可能造成虛假報警,必須對其限制?？梢岳密浖⒎制鬟M行信號處理,即如果ADXL202的輸出變化率大于87mg/min,就認為有警情;如果小于這個數(shù)值,就可以認為是由于溫度變化引起的溫度漂移,不予報警。
c 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、YFITL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,以提高其負載能力,然后,將信號送人微處理器內(nèi)部的A/D端口進行模,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行預警),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用。
