Contribution to International Economy

  • Датчик
Содержание
Введение 2
Обоснование технических теребований к разрабатываемому устройству 4
Блок-схема датчика 7
Аппаратура датчика. 10
Схема датчика. 10
Внутренняя часть микроконтроллера. 13
Встроенное программное обеспечение датчика. 16
Варианты разработки и альтернативное использование датчика 20
Выводы 23
Список использованной литературы 24
Приложение 25

Введение
Современные системы безопасности используют различные типы датчиков для детектирования незаконных попыток доступа к объектам. Такие датчики могут быть инфракрасными, микроволновыми и ультразвуковыми устройствами, которые используются для выявления движущихся объектов.
Каждый тип датчиков характеризуется своими преимуществами и недостатками. Микроволновые датчики эффективные в больших помещениях потому, что микроволны проходят сквозь диэлектрические материалы. Но такие датчики состоят из дорогих сверхвысокочастотных компонентов и их излучение вредно для живых организмов. Инфракрасные датчики характеризуются высокой чувствительностью, небольшой ценой и, поэтому, широко используются. Но, эти датчики могут генерировать сигналы ложной тревоги, когда активируется система обогрева или когда скорость изменение температуры превышает определенный пороговый уровень. Кроме того, инфракрасные датчики существенно теряют чувствительность, когда маленькие насекомые проникают в их линзы. Ультразвуковые датчики обнаружения движения характеризуются небольшим потреблением энергии, приемлемой ценой и высокой чувствительностью. Поэтому такие датчики обычно используются в домах, офисах и в системах автомобильной охраны. Существующие ультразвуковые датчики состоят из множества пассивных и активных компонентов и являются относительно усложненными для изготовления и тестирования. В большинстве случаев эти датчики должны пройти трудоемкий процесс настройки.
В данной курсовой работе рассмотрен ультразвуковой датчик определения движения, основанный на эффекте Доплера. Основная область применения датчика – системы безопасности, для детектирования движущихся объектов, но он также может быть использован в интеллектуальных детских игрушках, в устройствах автоматического открывания дверей, в спортивных тренировках и в оборудовании для бесконтактного измерения скорости.

Обоснование технических теребований к разрабатываемому устройству
Предлагаемый датчик использует один PSoC MCU вместе с несколькими пассивными компонентами.
Он характеризуется высокой чувствительностью и устойчивостью к различным сигналам шума.
Прежде всего, давайте рассмотрим основные принципы работы ультразвукового датчика выявления движения. Рис.1 : Основной принцип работы датчика – изображает типичную установку датчика.

Рис.1: Основной принцип работы датчика
Ультразвуковой передатчик TX непрерывно излучает ультразвуковые волны в окружающее пространство. Эти волны, отражаясь от различных объектов достигают ультразвукового приемника RX. На рисунке изображена ситуация с неменяющейся интерференцией, когда нет подвижных объектов.
Любой передвигающийся объект изменяет уровень и фазу отраженного сигнала, который изменяет уровень суммарного принимаемого сигнала. Большинство дешевых датчиков (например, автомобильные охранные системы) выполняют анализ амплитуды отраженного сигнала для детектирования передвижных объектов.
Из-за простой реализации, этот метод детектирования характеризуется высокой чувствительностью к шумам. Например, неоднородные воздушные потоки, вибрации датчика, деформации комнатных окон и дверей, порывы ветра могут изменить интерференционную картину и сгенерировать сигнал ложной тревоги. Лучший показатель устойчивости к шумам можно получить если принимающий датчик будет анализировать частоту отраженного сигнала вместо его амплитуды. Спектр отраженного сигнала эмулирует эффект Доплера.
Частотные компоненты вектора скорости передвигающегося объекта имеют компоненты в направлении распространения ультразвукового излучения. Потому, что ультразвуковые волны отражаются от окон, стен, мебели и т.п., датчик может определить перемещение объекта в любом направлении. Для реализации этого принципа, датчик должен произвести выбор и обработку частотного сдвига согласно эффекту Доплера для детектирования подвижных объектов.
Любой передвигающийся объект изменяет уровень и фазу отраженного сигнала, который изменяет уровень суммарного принимаемого сигнала. Большинство дешевых датчиков (например, автомобильные охранные системы) выполняют анализ амплитуды отраженного сигнала для детектирования передвижных объектов. Из-за простой реализации, этот метод детектирования характеризуется высокой чувствительностью к шумам. Например, неоднородные воздушные потоки, вибрации датчика, деформации комнатных окон и дверей, порывы ветра могут изменить интерференционную картину и сгенерировать сигнал ложной тревоги.
Лучший показатель устойчивости к шумам можно получить если принимающий датчик будет анализировать частоту отраженного сигнала вместо его амплитуды. Спектр отраженного сигнала эмулирует эффект Доплера.
Частотные компоненты вектора скорости передвигающегося объекта имеют компоненты в направлении распространения ультразвукового излучения. Потому, что ультразвуковые волны отражаются от окон, стен, мебели и т.п., датчик может определить перемещение объекта в любом направлении. Для реализации этого принципа, датчик должен произвести выбор и обработку частотного сдвига согласно эффекту Доплера для детектирования подвижных объектов.
Системы кондиционирования воздуха, обогреватели и рефрижераторы обычно имеют подвижные части, которые могут
вызвать вибрации, генерирующие высокочастотные доплеровские компоненты в отраженном ультразвуковом сигнале.
Гетерогенные воздушные потоки, вызванные колебаниями температуры, характеризуются различной скоростью распространения ультразвука и могут стать причиной возникновения низкочастотных Доплеровских компонент в отраженном сигнале. По этой причине шумоустойчивые датчики обнаружения движения должны ограничивать частотный диапазон доплеровских сигналов от нижней и до верхней границы для удовлетворительного функционирования без ложных сигналов.
Ультразвуковой датчик обнаружения движения должен быть разработан в соответствии с рассмотренными выше принципами. В таблице приведены основные характеристики датчика.


Блок-схема датчика
Блок-схема датчика изображена на рис.2:

Рис. 2. Блок-схема датчика.
Серые блоки используются для обозначения внешних модулей по отношению к PSoC микроконтроллеру.
Датчик функционирует следующим образом: Резонансный генератор управляет пьезоэлектрическим передатчиком ТХ, который преобразует электрические сигналы в акустические волны. Волны, отраженные отразличных объектов достигая пьезоэлектрического приемника РХ, преобразуются в электрические сигналы и усиливаются усилителем АМР. Резонансный полосовой фильтр ВРР (band-pass filter) подавляет шум, который находится вне области проверяемых частот и устраняет постоянную составляющую с выхода усилителя. Как было рассмотрено выше, отраженный сигнал может быть модулирован по амплитуде. Детектор перехода через нуль ZC, (zero-crossing detector) подавляет эту нежелательную амплитудную модуляцию и преобразует выходной сигнал фильтра в модулированный по фазе сигнал. Следует отметить, что если амплитуда сигнала, отраженного от двигающегося объекта меньше чем амплитуда сигнала, отраженного от неподвижных объектов, выходной сигнал полосового фильтра будет модулирован по фазе. В противном случае, он будет модулирован по частоте. В системах безопасности, сигнал, отраженный от движущихся объектов может быть от 3 до 20 раз слабее чем сигнал отраженный от неподвижных объектов.
Выход детектора перехода через нуль ZC, заведен на вход блока МIXER. Выходной сигнал ультразвукового генератора используется как опорный сигнал для МIXER. Низкочастотный фильтр LPF1 (Low-pass filter) выбирает доплеровский сигнал с выходного сигнала блока МIXER. Выходной сигнал фильтра потом оцифровывается сигма-дельта Аналого-цифровым преобразователем ADC1 для последующей программной обработки.
Программно реализованный цифровой фильтр низких частот LPF2, дополнительно подавляет высокочастотные компоненты в частотном спектре Доплеровского сигнала и устраняет влияние фазового шума детектора перехода через нуль.
Цифровой высокочастотный фильтр HPF (high-pass filter) ограничивает нижнюю частоту в доплеровском спектре. Это эффективно подавляет влияние низкочастотного шума на работу датчика. Выходной сигнал высокочастотного фильтра анализируется компаратором LC2 для генерации сигнала тревоги. Для других сфер применения датчика или для тестирования, отфильтрованный поток данных может быть передан через РS232 совместимый передатчик.
Для надежного детектирования двигающихся объектов, уровень сигнала отраженных волн должен быть больше определенного значения. Если это условие не соблюдается, датчик должен быть помещен в другое место или должна быть увеличена выходная мощность передатчика. Подсистема контроля уровня входного сигнала состоит из амплитудного детектора АО, суммирующего аналого-цифрового преобразователя ADC2 и компаратора LC1.
Пьезоэлектрические датчики характеризуются высоким Q фактором и нуждаются в точной настройке рабочей частоты для достижения максимальной эффективности. Кроме того, резонансная частота датчика зависит от температуры и подвержена влиянию
старения. Поэтому, в большинстве современных ультразвуковых датчиках, используются дорогие схемы компенсации температуры и частоты.
Кроме того, пьезоэлектрические датчики нуждаются в относительно больших входных напряжениях для получения акустического сигнала нужной мощности. Эти трудности могут быть преодолены если резонансный генератор используется в связке с пьезоэлектрическим передатчиком для возбуждения мостового драйвера нагрузки.
Если такой же датчик используется в приемной части, температурный эффект и эффект старения практически устраняется. Предложенный датчик включает резонансный генератор с мостовым передатчиком для получения максимальной выходной мощности для данного источника питания. Этот генератор состоит из пьезоэлектрического драйвера DRV, токового моста СВ, для измерения тока кристалла, и усилителя INA.

Аппаратура датчика.
Сначала будет проанализирована детальная схема, а потом будет рассмотрено возможные усовершенствования и варианты реализации.
Схема датчика.
Полная схема датчика представлена на Рис.3:

Схема датчика; Аналоговые компоненты

и на Рис.4:Схема датчика; СРU. Рис.3 изображает аналоговые компоненты, а Рис.4 представляет СРU.
Токовый мост передатчика формируется резисторами Р7- Р9, Р13-Р14, Р16-Р17 и Р20.
Если R8 + R13 = R16 + R20 и R7+R9 =R14+R17, то напряжение между левыми контактами С9 и С11 прямопропорционально току в
пьезоэлектрическом передатчике У2.
Дифференциальные цепи С9R10R18 и С11R15R19, компенсируют фазовый сдвиг во внутреннем PSoC МСU инструментальном
усилителе и обеспечивают частоту колебаний очень близкую к основной резонансной частоте кварца. Параметры цепи оптимальны для частоты колебаний 30-40 КНz и могут быть скорректированы для других
резонансных частот кварца. Входной каскад датчика состоит из Р6С3, таким образом Р23R24С12 определяют аналоговый потенциал
земли. Реле сигнала тревоги управляется блоком Q1 МОSFЕТ. Могут быть использованы и другие типы загрузки (такие как выходы с
открытым коллектором, твердотельные переключатели, сирена и т.п.). Источник питания состоит из обычного линейного
регулятора U2. Диод D4 защищает электронику датчика от обратного подключения питания.
Датчик может питаться от нестабилизированного 6-12 V DС/АС источника с максимальным током 100 тА. При нормальном функционировании ток в несколько раз меньший.
Элементы D1R3C2R4 формируют амплитудный детектор для измерения уровня отраженного сигнала. Светодиод D3 индицирует низкий
уровень этого сигнала. Разъем J4 разрешает
подключить СМОS совместный последовательный передатчик и может быть использован для отладки встроенной в приемник программы или для альтернативных методов использования приемника.
Для передачи этого потока данных на СОМ порт компьютера для дальнейшего анализа, необходимо использовать внешний стандартный транслятор уровней, такой как МАХ3221.
Тестовые точки ТР1-ТР5 предназначенные для наблюдения некоторых внутренних сигналов SoC MCU. Таблица 2. описывает назначение каждой тестовой точки:


Внутренняя часть микроконтроллера.
Внутренние соединения микроконтроллера представлены на Рис.5: внутренние соединения PSoC МСU. Обозначения портов в скобках отображают соответствующие номера портов. Наклонный шрифт используется для имен соединений, а тонкие линии - для обозначения сигналов синхронизации.
Неиспользованные блоки, которые могут быть использованы для реализации дополнительной функциональности, отмечаются серым цветом.

Резонансный генератор состоит изинструментального усилителя, который реализован на аналоговых блоках АСА02 и
АСА03. Выход усилителя через внутренний PSoC триггер Шмидта заведен на вход первого инвертора, который помещен в DСА04.
Выход инвертора подключен к обоим токовым мостам пьезоэлектрических кристаллов и ко входу второго инвертора. Который помещен в DСА05. инверторы формируют мостовой драйвер пьезоэлектрического передатчика, который позволяет получить максимальную выходную мощность для данного источника питания.
Входной сигнал датчика усиливается программируемым усилителем (РGА –programable gain amplifier), помещенным в АСА00 и фильтруется вертикальным полосовым фильтром помещенным в АSВ13 и АSА23. Центральная частота фильтрасоответствует резонансной частоте пьезоэлектрического передатчика.
Максимальный коэффициент отбора равен 30, что является достаточным значением. Выход РОА подключен к входу фильтра внешним соединением потому, что ограничения по размещению и разводке соединений микроконтроллера не позволяют сделать это внутри микроконтроллера.
Программируемый усилитель, помещенный в АСА01,
сконфигурирован как детектор перехода через нуль удалением обратной связи. Для приложений, которые нуждаются в точном анализе спектра сигнала, подверженного эффекту Доплера, РGА может использоваться непосредственно удалением реконфигурационной части в исходных кодах программного обеспечения.
Смеситель скомбинирован с переключаемым конденсатором низкочастотного фильтра LР1, который помещен в блоки АSА10 и
АSВ11.
Возможность амплитудной модуляции блока АSА10 используется для микширования. Опорный сигнал смесителя берется от резонансного генератора через глобальную выходную шину 4 (Global Output Bus 4). Выходной сигнал фильтра заведен через внутренний буфер на порт Р0[5] для отладки и тестирования. Следует отметить, что вырезаемая частота фильтра LрF1 равняется 1200 Hz и максимальный коэффициент выборки составляет приблизительно 140 при хорошем подавлении результатов преобразования ультразвукового носителя.
Последующая обработка производится программой. Выбор сигма-дельта аналого- цифрового преобразователя базируется на
низкой нагрузке на процессор, хороших характеристиках переменного тока. Частота дискретизации АDС1 составляет 2.6 КНz.
Для измерения уровня отраженного сигнала используется 12-битный накопительный аналого-цифровой преобразователь. Время
преобразования данного АЦП самое большое среди других типов преобразователей для заданной тактовой частоты, что позволяет
эффективно подавлять нежелательную амплитудную модуляцию отраженного
сигнала. В нашем случае, частота дискретизации преобразователя АDС2 составляет приблизительно 40Нг.
Выходной сигнал фильтра LрF1 оцифровывается 8-битным сигма-дельта аналого-цифровым преобразователем и таймер, помещенный в DВА0З, задает скорость передачи сигнала последовательному передатчику, который помещен в DCА06. Поток данных с АDС1 может быть передан через СОМ порт в компьютер для анализа или обработки при альтернативном применении датчика.

Встроенное программное обеспечение датчика.
Датчик непрерывно анализирует сигнал на проявление эффекта Доплера и включает сигнализацию если значение этого сигнала в
проверяемой области частот больше определенного порогового значения.
Программа реализована с использованием техники главного цикла обрабатывающего прерывания. Сбор и обработка данных в режиме реального времени выполняется в подпрограмме обработки прерывания от АDС1. Анализ уровня отраженного сигнала и отправка потока данных от АDС1 выполняется в главном цикле. Исходный код программы позволяет получить две версии программы -отладочную и окончательную, в зависимости от определения значения переменной Debug. Отладочная версия программы посылает отфильтрованный поток данных от ADС1 через последовательный порт вместе с другой отладочной информацией. В рабочей версии эти возможности устранены, что снижает потребление энергии и экономит память программ.
Главный цикл очень простой. После сброса
инициализируются периферийные устройства и начинается сбор данных. Потом, измеритель уровня АDС2 производить выборку с датчиков
и обновляет статус светодиода низкого уровня. В конце проверяется статус выборки АйС1 и пересылается через последовательный порт (если включен режим отладки).
Алгоритм обработки данных реализован в подпрограмме обработки прерывания от АDС1. Сначалапроизводим низкочастотную фильтрацию для устранения высокочастотного шума в сигнале. Потом, для
улучшения помехоустойчивости, мы направляем выходной поток низкочастотного фильтра на высокочастотный фильтр для
устранения низких частот. Потом, мы выполняем амплитудный анализ выходного потока высокочастотного фильтра для детектирования сигналов тревоги. Сигнал тревоги включается тогда, когда детектируется определенное количество циклов прерывания по условиям срабатывания тревоги.
Цифровые фильтры выполнены как фильтры с конечной импульсной характеристикой (FIR –finite impulse responce) с использованием блока множественного аккумулирования PSoC МСU (МАС – multiple-accumulation unit). Низкочастотный фильтр работает с частотой выборки блока ADС1 и имеет частоту отсечки около З00Нz. Длина фильтра была выбрана в 11 фильтрационных звеньев.
Высокочастотный фильтр работает на 0.25% частоты дискретизации АDС и имеет частоту отсечки приблизительно равную 20 Нz. Длина фильтра составляет 15 фильтрационных звеньев для надежного функционирования как в помещении так и снаружи, но может быть уменьшена до 7 при работе в менее зашумленной среде. В программе есть соответствующая переменная условной компиляции - FIR НРF. Следует отметить, что нижняя частота выборки блока FIR НРF была выбрана такой, чтоб обеспечить низкую частоту отсечки с небольшим количеством фильтрационных звеньев. Так, как высокочастотный фильтр работает на 0.25 % частоты выборки, структура обработчика прерываний была оптимизирована для обеспечения баланса в потреблении ресурсов процессора.
Потому, что высокочастотный фильтр оперирует с низкими частотами выборки, выход LPF2 не требует обработки при каждом
прерывании. Таким образом, при первомпрерывании мы вычисляем выборку LPF2, потом обрабатываем эту выборку цифровым
НРF и выполняем анализ выходного потока НРF при третьем вызове подпрограммы обработки прерывания. Следует отметить, что
циклический буфер LРF2 должен постоянно обновляться.
Рис. 6: Структура обработчика прерываний, обрабатывающегоданные иллюстрирует предлагаемый алгоритм.

Для детектирования появления тревоги, применен программный детектор пиковых состояний. В качестве альтернативы, можно реализовать RMS детектор с использованием PSoC МАС. Между этими двумя подходами существенные различия в работе не наблюдались.
Текущая версия программного обеспечения датчика относительно проста. Она занимает только ЗК в памяти программ и 60 байт в
памяти данных. Остальная часть памяти программ и данных находится в распоряжениипользователя и может быть использована для
реализации альтернативных методов использования датчика.
Например, можно скомбинировать датчик с дверным звонком для автоматического изменения уровня звука и мелодий, когда кто-нибудь подходить близко к входной двери. Возможность динамического реконфигурирования PSoC МСU позволяет «на лету» изменять PSoC функции и использовать задействованные ресурсы для альтернативных целей.
Текущая версия программы была написана на «С» и работает на частоте 12 МНz. Мы считаем, что оптимизация на уровне ассемблера позволит уменьшить тактовую частоту процессора в два и даже больше раз для уменьшения потребления энергии.

Варианты разработки и альтернативное использование датчика
Предложенное аппаратное и программное обеспечения датчика было оптимизировано под потребности систем безопасности. Для некоторых типов таких систем, полученные эксплуатационные характеристики могут
оказаться неприемлемыми. Для достижения больших рабочих расстояний, мы
рекомендуем комбинировать внешний усилитель мощности с малошумным
предусилителем.
Стандартный драйвер МОSFЕТ идеально подходит для управления
пьезоэлектрическими датчиками потому, что он рассчитан на управление высокоемкостной нагрузкой. Предусилитель усиливает низкоуровневые сигналы.
Рис.7: Внешние усилители для больших операционных диапазонов изображает предлагаемую схему этого блока.
Предлагаемый усилитель характеризуется максимальным усилением на резонансной частоте пьезоэлектрического датчика, что позволяет подавление шума, который не попадает в исследуемый частотный диапазон.

А теперь опишем варианты резонансного генератора. Мы использовали внутренний PSoC МСU триггер Шмидта для преобразования аналогового сигнала усилителя в цифровой. В качестве альтернативы предлагается вариант в котором, сигнал с Comparator Bus2 может быть заведен на Global Bus 5 через пользовательский модуль SPIS. Этот вариант был протестирован, но при этом наблюдалось увеличения потребления энергии и фазовое дрожание сгенерированного сигнала.
Возможности применения датчика не ограничиваются системами безопасности. Он может быть использован для активируемых движением детских интеллектуальных игрушек, систем автоматического открывания дверей, систем идентификации и т.п. Во вторых, датчик может быть использован для удаленного бесконтактного определения скорости и анализа ибрации частей механизмов.
Например, датчик может быть встроен в различное спортивное оборудование для контроля темпа тренировок и оптимизации распределения тренировочных нагрузок.

Для измерения скорости можно использовать
эффект Доплера.
Можно использовать классический метод подсчета частоты/периода, БПФ или технику корреляции, вейвлитное преобразование и т.п. Вейвлитное преобразование оптимально для анализа нестационарных сигналов.

Рис. 8: Временная диаграмма сигнала с эффектом Доплера (a); его БПФ (b)


Выводы
В данной курсовой работе был представлен ультразвуковой датчик
определения движения. Он может быть использован для построения различных интеллектуальных устройств, включая домашние, офисные и автомобильные системы безопасности, интеллектуальные игрушки и домашние приборы. Исходные коды программного обеспечения, схемы и разводка платы упрощают адаптацию датчика для конкретного применения. Данный проект включает все схемы и файлы разводки платы в Саdenсе Огсаd 9.2. Следует отметить, что разводка была выполнена для имеющихся в наличии компонентов. Использование элементов с меньшей площадью посадочного места позволит построить датчик с ощутимо меньшими размерами.

Список использованной литературы
1. Берглишин Л. Ультразвук и его применение в науке и технике/ Пер. с нем. под ред. В. С. Григорьева и Л. Д. Ро/енберга. М: 11лд-во иностр. лит., 1957. 726 с.
2. Полям В. Е.. Потапов А. И.. Сборвский А. А " Ультразвуковой контроль качества конструкций. Л.: Судостроение, 1978. 240 с.
3. Ечинова А. С. Каяшк А. Е.. Лангане Л. Б. Акустические измерения. М.: Изд-во стандартов, 1971. 192 с.
4. Ермолов И. И. Методы ультразвуковой дефектоскопии: Курс лек-пнй. М: Нзд-во горного ип-та, 1988. 212 с.
5. Воробьев Е. А. Управление качеством изделий радиоприборостро-ения: Текст лекций/ЛИЛИ, Л., 1991.48 с.
6. Воробьев Е А.. Селезнев А. В. Энергетические процессы в каналах измерения средств не разрушающего контроля: Текст лекций/ ГЛЛП, СПб., 1993. 52 с.
7. Воробьев Е. А. Управление качеством изделий па основе методов и средствие разрушаюшего контроля// Дефектоскопия, 1996. № 4. С. 70-76.
8. Воробьев Е А. Согласование внешних каналов средств контроля/-' Дефектоскопия, 1994.№ 11. С. 85-93.
9. Воробьев Е. А. Энергетические процессы во внешних каналах средств измерения и контроля// Дефектоскопия, 1998. №11. С. 78 84.
10. Потапов А. Й, Курчавова Т. I/. Методы и средства дефектоскопии и контроля геометрических характеристик изделий/СЗПИ, Л., 1988. 86 с.

Приложение


Рис. 9: Расположение элементов и разводка платы, реальный масштаб.


Другие работы по теме: