加速度传感器在汽车防盗系统中的应用研究

中心论题：
    * 磁效应加速度传感器的不足
    * 加速度传感器ADXL202的工作机理
    * ADXL202的汽车防盗系统设计方案
解决方案：
    * 双轴加速度传感器扩大了系统的监测范围并简化了系统
    * 电容式加速度传感器实现模拟信号转换为数字信号
    * 利用静态的重力加速度作为输入矢量确定物体的空间方向

现代汽车的防盗系统通常采用对车体的冲击、振动监测的方式防盗预警,常用的器件多为磁效应传感器。虽然磁效应加速度传感器的敏感性能很好,但由于磁 传感器存在装配、安装误差,其频率响应不稳定,会造成后续信号处理电路和微控制器接口电路比较复杂,致使系统报警的可靠性降低,误报率较高。另外,拖车或 整车搬运的方法也是目前窃赋盗窃汽车常用的手段,对付这种盗窃方式最有效的方法是对车体的倾斜角度进行监测,而磁效应传感器无法测量静态加速度,不能对车 体的倾斜角度进行测量,也就无法对这种盗窃方式进行监测预警。总之,利用磁效应传感器不能很好地完成防盗监测的任务,这就需要一种更合理、更可靠的传感器 件来替代。

ADXL202是AD公司设计生产采用MEMs工艺制作的低价格、低功耗、单芯片集成双轴加速度传感器,3～5.25V单电源供电,工作电流小于6mA, 可以测量O～5kHz、±2g范围内动态或静态加速度,60Hz时分辨率为2mg,可以数字、模拟信号形式输出,体积仅为5mm×5mm×2mm;可以对 车体微小振动和整车的倾斜角度同时进行监测。将其应用于汽车防盗系统不但扩大了系统的监测范围,而且简化了系统提高了防盗系统报管的可靠性。因此,选定其 作为汽车防盗系统的传感器件。

加速度传感器ADXL202的工作机理
a 利用ADXL202进行加速度测量的基本原理
ADXL202的模块结构如图l所示,它是在单一芯片上集成两个相互独立、测量方向相互垂直的敏感元的测量模块,是由多晶硅微加工表面工艺制成的电容式加 速度传感器;由硅片表面的弹性结构支撑起的质量块下面贴附电容的一个极板,电容的另一极扳固定。当加速度引起质量块的相对位置变化时,电容值也发生变化; 两个敏感元的信号处理电路将各自的电容变化转换成幅值与加速度成正比的方波信号,经工作周期调制(DCM)后,就能将模拟信号转换为数字信号,通过引脚 XOUTYOUT进行输出。另外,ADXL202还可以通过XFILT、YFILT引脚输出模拟信号。

b ADXL202引脚功能简介
ADXL202的封装形式为LCC-8,其封装和引脚的示意图如图2所示。

引脚ST用于芯片自测,VDD上电后,ST在静电力的作用下,输出的工作循环脉宽改变10％左右,相当于作用800mg加速度的输出信号,测试这个引脚就 可以用于判断芯片是否正常工作引脚T2需外接RSET电阻,在0．5ms～10ms范围内设置工作循环周期T2;引脚COM作为公共接地端;引脚 XOUT、YOUT用于输出数字信号;引脚XFILT、YFILT外加滤波电容,用以设置检测信号的带宽范围,VDD引脚作为芯片供电电源输入端。

c 加速度值的确定
加速度传感器可以分别利用XOUT、YOUT引脚和XFILT、YFILT引脚进行数字信号或模拟信号输出。

在采用数字信号进行测量时,只要利用微处理器的计数器/定时器端口分别采集信号的工作周期脉宽T1和工作周期的时间长度T2,利用公式(1)就可以得出被测加速度的值。计算公式为：

信号示意图如图3所示。

在采用模拟信号进行测量时,可以直接采用从XFILT、YFILT引脚输出的模拟信号,也可以将XOUT、YOUT引脚输出的数字信号进行RC滤波,重新 恢复成模拟信号。第一种方法输出的信号带宽比较宽,但需外加电压跟随器才能带负载;第二种方法可以对输出的模拟信号进行放大,但频率响应特性较低。采用何 种输出方式应根据具体的使用条件来确定。

采用ADXL202的汽车防盗系统设计方案
由于窃贼盗窃汽车时会引起车俸的振动或倾斜现象,而ADXL202能够测量0～5kHz、±2g范围内动态或静态加速度。动态加速度的测量可以用于振动检测;而利用静态的重力加速度作为输入矢量,就可以确定物体的空间方向。

a整体方案设计
ADXL202采用3V直流电源供电,为降低电源对传感器的干扰,在引脚VDD和公共接地端COM之间需连接O．1μF的去耦电容。由于芯片与微处理器共用一个供电电源,在电源与VDD间需增加一个100Ω的电阻,以减小数字信号对传感器输出信号的干扰。

T2引脚外接625kΩ的RSET电阻,将输出的数字信号周期确定为5ms,即频率为200Hz。从XOUT、YOUT引脚输出的数字信号直接送到微处理 器的计数器,定时器端口,以便进行重力加速度的测量,以得出车体倾角的变化。从XEILT、YFILT引脚输出的模拟信号经电压跟随器提高负载能力后,送 入微处理器的A/D端口,以对车体微小振动进行测量。

汽车防盗中,车体倾斜角度的测量要求其信号的噪声必须很小,这就要限制信号带宽。而对于振动的测量,则需要10～200Hz的较宽信号范围。首先,将 XFILY、YFILT引脚的滤波电容CX、CY设定为0．027μF,这样输出的数字、模拟信号的带宽全都限制在200Hz以下,再将ADXl202输 出的带宽为200Hz的数字和模拟信号分别经过低通滤波和高通滤波,就可以获得倾斜、振动监测所需带宽的信号。将ADXL202同时作为振动测量和倾角测 量传感器的方案原理图如图4所示。 

b 倾斜角度的测量
对于拖车或整车搬运的盗窃方式,如果车体的角度相对于初始状态改变5°,就可判定有盗车情况发生。

倾斜角度测量值通过XOUT、YOUT端口输出的数字信号得到。由于经XFILT、YFILT端口的电容低通滤波,信号带宽为200Hz．则根据ADXl202的噪声计算公式为：

其中,Noise为噪声的几何平均值,BW为信号带宽,f(Hz)为频率。则其噪声平均水平为： 

如果ADXl202的敏感轴从水平位置变化了5°,就相当于ADXL202输出的数字信号改变约87mg,这样14．4mg的噪声水平就显得过高了。因为 期望的噪声水平最多不能超过信号的十分之一,即8．7mg。将XOUT、YOUT端口输出的200Hz数字信号进行16次采样,并将采得的信号取平均值, 就可以实现数字低通滤波,将信号的带宽降为12．5Hz。此时的噪声水平为： 

这种噪声水平完全可以满足系统要求。

ADXl202的温度变化系数为2mg／℃,在监测的0°～5°倾角范围内,每改变1°,输出约改变17mg。由于室外昼夜温差很可能达到8．5℃,温度 漂移很可能造成虚假报警,必须对其限制。可以利用软件微分器进行信号处理,即如果ADXL202的输出变化率大于87mg/min,就认为有警情;如果小 于这个数值,就可以认为是由于温度变化引起的温度漂移,不予报警。

c 汽车微小振动的测量
通过对车体微小振动的测量,可以实现对破坏车体行为的监测。若在一个较短时间段内,振动的能量超过设定的阈值,就可以判定有破坏汽车的情况发生。

监测汽车微小振动所需信号由XFILT、YFILT端口获得。虽然在XFILT、YFITL端口输出的模拟信号已经过200Hz低通滤波,但仍需将信号再 经10Hz高通滤波,才能达到振动监测所需的10~200Hz带宽要求。另外,从XFILT、YFILT端口输出的模拟信号负载能力很弱,可以将带通滤波 后的信号送入电压跟随器,以提高其负载能力,然后,将信号送人微处理器内部的A/D端口进行模,数转换。根据采样定理(Nyquist Criteria),徽处理器采样频率定为400Hz,即每2．5ms采样一次。

利用软件积分器测量振动的能量,是将微处理器记录的16次振幅采样值的绝对值求和,即可得到40ms内振动的能量。如果这个绝对值之和超过设定的数字阈值,微处理器就可以进行报警。

利用加速度传感器ADXL202组成的防盗监测装置,不但拥有传统汽车防盗传感器件的灵敏性,而且扩大了汽车防盗的监测范围(可以对拖车和整车搬运的盗窃 方式进行预警),而且还简化了系统的电路结构,提高了系统可靠性。ADXL202完全可以取代磁效应传感器等传统敏感元件。成为汽车防盗监测信号的可靠敏 感器件。另外,ADXL202在计算机外围设备、信息产品、运动监测等方面也有着广泛的应用。