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。
2．2 DSP-C54x的片外設備
C54x系列所有芯片的CPU結構完全相同，但是它們片內集成的CPU外圍電路卻不盡相同。以C5402為例，片外設備包括可編程PLL的時鐘發生器、2個定時器、2個多通道緩沖串口、片內存儲器、DMA控制器和外設總線控制器等，如圖4所示。
C54x DSP與AIC23B的引腳連接原理圖如圖5所示。AIC23B的控制接口以SPI方式與DSP的MCBSP2(由于C5402只有MCBSP0／1，對C5402指的是MCBSP1)通信，此時AIC23B為從設備，MCBSP2的接收時鐘與AIC23B的SCLK信號全部由MCBSP2的時鐘提供；與AIC23B進行數據接口的MCBSP0工作在從屬模式下，此時AIC23B為主設備，MCBSP0的發送與接收時鐘均由AIC23B的BCLK信號提供。
3 軟件算法設計及仿真
軟件設計在LabWindows平臺下進行，在實驗室及現場應用中均得到了正確的仿真結果，并且具有很強的適應性和可移植性。
3．1 數據采集
本軟件用聲卡完成數據采集，在LabWindows／CVI下對聲卡進行數據采集的控制。LabWindows／CVI下聲卡的控制可以直接調用自帶函數，也可以調用VC++中的API函數，本設計調用了API函數。聲卡采集數據流程如圖6所示。
3．2 數據處理
系統通過檢測接收端電壓的變化幅度來判斷是否發出報警信號，因此要對接收到的交流信號進行數字整流，以便判斷電壓的變化幅度。數據處理框圖如圖7所示。
3．2．1 帶通濾波器的設計
在仿真程序中帶通濾波器直接調用LabWindows／CVI中的Bw_BPF的函數。但在DSP中數字帶通濾波器必須自己設計，IIR濾波器的實現結構分為直接I型，直接Ⅱ型，級聯型和并聯型。
直接I型的結構需要2N級延遲單元，直接Ⅱ型與I型相比節省了1／2延遲，即需要N級延遲單元，是最常用的IIR濾波器結構之一。如圖8是直接Ⅱ型結構圖。
IIR濾波器的設計工具，除了可以利用一些專用的濾波器設計工具程序外，也可以利用Matlab來設計。
3．2．2 數字整流以及均值濾波算法
數字整流是將一個數據包中的數據取平均值。由于數字整流后的波形不是很平滑，震動幅度比較大，因此必須再通過一次中值濾波得到比較平滑波形，以便后續的數據處理。均值濾波流程圖如圖9所示。
3．3 系統仿真與分析
3．3．1 仿真結果
圖10是沒有人接近感應線時的波形顯示，圖11為有人接近感應線后的波形顯示。兩圖對比，圖11中的波形有明顯的下降，波形微分值也發生了相應的變化。
3．3．2 系統的抗干擾性分析
當有小動物接近感應線圈時，接收線的電壓幅度也會下降，但是由于人體對感應線圈感應電容的影響遠遠大于小動物，因此接收線電壓下降幅度遠遠小于人接近時的下降幅度，所以設定幾個不同報警門閾值，就能將人和其他動物區別開來。在雨雪天由于空氣濕度發生變化，空氣介電常數也發生了變化，導致系統的分布電容發生變化，但是這個變化極小，對本系統幾乎無影響。
由于系統基于電磁感應原理，會受到外部電磁干擾，尤其是相鄰系統間的干擾。為了解決這個問題，在相鄰系統的發射線上加了不同頻率的方波信號，避免了相鄰系統間的干擾。本設計中，選用了3 kHz，5 kHz，7 kHz的方波信號，相鄰系統的發射端得到不同的發射信號。接收端收到信號以后采用了以發射端信號頻率為中心頻率、帶寬為1 kHz的帶通濾波，濾波后去掉干擾信號得到有用信號。
3．3．3 單系統防護距離
隨著感應線圈長度的變化，線圈和地之間的分布電容也會產生相應的變化，感應線圈越長，分布電容越大。在感應線很長時，人接近感應線后，分布電容的變化較小，會導致系統靈敏度下降，所以單系統的防護距離不宜太長，限定150 m內為宜。
4 結語
經過軟件仿真和現場測試，得到了正確的數據。在進行了詳細的數據分析以后，證明整個系統的設計思路和計算方法是正確的。基于虛擬儀器及DSP的靜電感應式電子圍欄系統的前端圍欄帶有高壓脈沖電給入侵者極大威懾，有形圍欄給入侵者帶來了很多阻礙，若強行人侵，則系統自動發出聲、光報警，并可以與其他安防系統聯動(如防盜報警主機、視頻監控系統、110報警等)。該電子圍欄能適應各種環境，且誤報率極低，克服了傳統的紅外、微波等技術的缺陷，報警基本不受氣候、地形、樹木、小動物等影響。