基于虛擬儀器及DSP的靜電感應式電子圍欄設計

摘要：基于靜電感應原理，設計了一種基于虛擬儀器及DSP的電子圍欄。系統工作時，在發射線上加上一定頻率的方波信號，當有入侵者接近圍欄時，接收線上的信號幅度即發生變化，檢測器對信號分析處理后，主機發出報警信號。硬件設計采用雙處理器結構，其中DSP用于信號采集和處理，單片機用于系統控制。軟件仿真在LabWindows環境下完成，在此給出了仿真過程和仿真結果，還給出了系統的工作原理、整體方案、硬件設計，軟件算法設計及仿真。通過系統試驗運行，結果良好，誤報率低，克服了傳統電子圍欄的缺陷。
關鍵詞：靜電感應；電子圍欄；LabWindows／CVI；DSP54xx

0 引言
電子圍欄是防盜系統數字化的產物，其目的是對受保護區域進行監控，當有非法人員入侵保護區域或從保護區域中逃脫時，將發出報警信號，并及時通知防護人員對報警信息進行確認。目前市場上電子圍欄監控系統主要有視頻監控系統、紅外對射周界報警系統、靜電感應式電子圍欄等。視頻監控系統以其直觀、方便、信息內容豐富而廣泛應用于許多場合。目前，在國內外市場上，主要分為數字控制的模擬視頻監控和數字視頻監控兩類。視頻監控系統正處在數控模擬系統與數字系統混合應用并將逐漸向數字系統過渡的階段。紅外對射周界報警系統是對外圍周界進行防范和控制管理的系統，由發射端和接收端組成射束網，當有人跨界時，則有2束或4束紅外線被遮擋切斷，接收端輸出報警信號，觸發控制主機報警。視頻監控系統和紅外對射防盜系統適合倉庫、小區等小范圍的安全防護。本文介紹的基于虛擬儀器及DSP的靜電感應式電子圍欄應用靜電場感應原理。系統工作時在發射線上加上一定頻率的方波信號，當入侵者接近圍欄時接收線上的信號幅度就會發生變化，經檢測器分析處理后，主機發出報警信號。這種電子圍欄無盲區、無死角，前端圍欄是有形的圍欄，可以隨著地形高低起伏任意架設，能夠很好地適應各種環境。

1 系統原理及總體設計方案
1．1 靜電感應原理
在感應場區有電感耦合和電容耦合2種形式，在高阻抗的高頻電路中容易產生電容耦合。
如圖1所示，設導體g上加有高頻電壓Eg，另一導體s作為感受器，導體與大地之間的分布電容為Cs，導體g與導體s間的分布電容為Ggs，則g在s上產生的感應電壓為：

當Cs和Cgs發生變化時，Us就隨之而發生變化。本系統中就是根據測量Us的變化來判斷是否有人非法侵入，如果Us的變化超過報警門限值，系統將發出相應的報警信號。

1．2 靜電感應式電子圍欄工作原理
工作原理如圖2所示，把一個方波信號加在發射線圈上，接收線圈上同時也會有感應電壓存在。當有人靠近感應線圈時，由于人的介電常數大于空氣的介電常數，這時接收線和地之間的分布電容Cs增大，同時發射線和地之間、發射線和接受線之間的分布電容都會有變化，但在本系統中可以忽略。由式(1)可得，當Cs增大時，接收線電壓幅度Us會下降，根據電壓下降幅度，即可以判斷是否有人入侵。

2 系統硬件設計
2．1 系統總體結構
系統采用雙處理器的結構，DSP(TMS320VC5402)用來進行數據采集及處理，單片機(STC89LE58RD+)對整個系統進行控制。兩個處理器之間通過HPI總線完成通信，STC89LE58RD+為主機，TMS320VC5402為從機，由于單片機上沒有HPI總線接口，因此用單片機的幾個I／O口模擬HPI總線與TMS320VC5402通信。數據采集芯片(AIC23B)與DSP的MCBPS口相連，MCBPS0口用來與DSP進行數據傳輸，DSP通過MCBPS2口初使化AIC23 B。系統硬件結構如圖3所示。

由于數據運算量大，需要較大的數據存儲空間，DSP外擴了一片6416。為了節省資源，把DSP的程序存儲區放到單片機的內部FLASH中。
方波信號通過單片機用定時器中斷方式將一個I／O端口上的信號取反。用光電隔離的方法提高系統的穩定性，將光耦輸出信號加在脈沖變壓器的初級，其輸出端產生發射信號。發射信號的電壓幅度較高，但電流值極小，不會對人或動物造成傷害。
8位撥碼開關的低4位用來設置本機地址，高4位設置發射端的發射信號頻率值。遠程監控通過RS 485總線完成，有人人侵或系統發生故障時單片機即向遠端監控室發出相應的報警信號。