【正文】 。 除了有自身的特點(diǎn)外，單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)同樣具有一般軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，我們也可以采取這樣的策略提高系統(tǒng)的性能。在一些程序編譯器中，有時(shí)間優(yōu)化和空間優(yōu)化的選項(xiàng)，但時(shí)間優(yōu)化與空間優(yōu)化不能同時(shí)存在。第三，在很多時(shí)候，在付出額外占用 CPU時(shí)間的代價(jià)的條件下，軟件可以替代硬件的某些功能。首先，單片機(jī)的系統(tǒng)程序與 應(yīng)用程序密不可分，系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序必須放在一起考慮。警報(bào)執(zhí)行模塊主要用于系統(tǒng)確認(rèn)警情后，進(jìn)行報(bào)警以及執(zhí)行汽車(chē)鎖死等操作。監(jiān)測(cè)模塊由多種傳感燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 器組組成，用于汽車(chē)防盜信息的采集。 本章小結(jié) 綜上所述，采用多傳感器信息融合技術(shù)的汽車(chē)防盜 系統(tǒng)硬件部分主要由電源模塊、監(jiān)測(cè)模塊、中央處理模塊及警報(bào)執(zhí)行模塊組成。 P3—— P6 端口與 Pl, P2 端口功能相同，只是沒(méi)有中斷功能。這兩個(gè)端口的每一個(gè)引腳都可以單獨(dú)設(shè)置其中斷性質(zhì)，中斷允許與否和中斷方式 (上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、高電平觸發(fā)、低電平觸發(fā)。每個(gè) 端口都是 8位的，其中每個(gè)端口的每個(gè)引腳都可以單獨(dú)設(shè)置為輸入或輸出，同時(shí)每個(gè)引腳寄存器都可以單獨(dú)的讀寫(xiě)。串行通信模塊由軟件設(shè)定可以分別工作在 UARZ，模式和 SPI 模式。 Timer B 也是 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，其基本功能和 Timer A 相同，只是它的捕獲 /比較器最多可達(dá) 7路。 Timer A 可以實(shí)現(xiàn)多路捕獲 /比較， PWM 輸出，間隔定時(shí)等功能。基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊可以根據(jù)用戶的要求配置成為不需要外部元件、外接一個(gè)或兩個(gè)石英晶振、外接振蕩電路等幾種方式，而且所有的時(shí)鐘模塊都是可以由軟件控制的。 基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊：基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊為單片機(jī)系統(tǒng)提供了低成本和低功耗的時(shí)鐘解決方案。該模塊實(shí)現(xiàn)了 12 位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換核心，同時(shí)還具有采樣選擇控制，內(nèi)部集成參考電壓源， 16 字的轉(zhuǎn)換 和控制緩沖器。無(wú)論 FLASH,RAM 和外圍模塊，都位于同一公共地址空間中，總尋址空間為 64KB。存儲(chǔ)空間： MSP403F149 的存第 3 章 多傳感器信息融合汽車(chē)防盜系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 29 儲(chǔ)器空間采用“馮 —— 紐曼結(jié)構(gòu)”， FLASH, RAM 和外圍模塊由同一組地址及數(shù)據(jù)總線連接在同一個(gè)地址空間中。簡(jiǎn)潔的核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效的降低了功耗和價(jià) 格。 中央處理器：多達(dá) 16 個(gè)寄存器，包括 4 個(gè)特殊功能寄存器和 12 個(gè)通用寄存器，有效的降低了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中寄存器的性能瓶頸。用該型微處理器所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品完全可以搭載在汽車(chē)系統(tǒng)中。利用單片機(jī)本身具有的 JTAG 接口或片內(nèi) BOOT ROM 可以在一臺(tái) PC 及一個(gè)結(jié)構(gòu)小巧的 JTAG 控制器的幫助下實(shí)現(xiàn)程序的下載，完成程序調(diào)試。 豐富的片上外圍模塊 ： MSP430FLASH 系列單片機(jī)中的各個(gè)成員集成了較多的片上外圍資源，功能相當(dāng)豐富，如 A/D 轉(zhuǎn)換器，精密模擬比較器，硬件乘法器，頻率可達(dá) 8MHz 的時(shí)鐘模塊，帶有捕蜘比較寄存器的 16 位定時(shí)器，看門(mén)狗，同步及異步串行通信接口，數(shù)十個(gè)可實(shí)現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。有高效的查表處理 方法。 強(qiáng)大的處理能力： MSP430FLASH 系列單片機(jī)具有豐富的尋址方式，但只需簡(jiǎn)潔的 27 條指令。 圖 311 閃光報(bào)警及汽車(chē)自鎖原理圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 系統(tǒng)采用 MSP430FLASH 系列中 MSP430F149APM 單片機(jī)作為中央處理器，該型單片機(jī)具有 16 位精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)， 16位 CPU 寄存器和常數(shù)寄存器，達(dá)到了最大的代碼效率，它具有處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，性能價(jià)格比很高。整個(gè)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警執(zhí)行模塊都要受控于中央處理器，監(jiān)測(cè)模塊所采集的車(chē)況信息的融合處理也在這里進(jìn)行。由于繼電器觸點(diǎn)的吸 合 (常開(kāi)觸點(diǎn) )、斷開(kāi) (常閉觸點(diǎn) )的隨微處理器的 I/O 接口的信號(hào)而改變，使得微處理器可以控制汽車(chē)車(chē)燈電路和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線路的開(kāi)閉，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)防盜的閃光報(bào)警和自第 3 章 多傳感器信息融合汽車(chē)防盜系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 27 鎖操作。系統(tǒng)是利用微處理器的I/O 接口控制達(dá)林頓陣列 ULN2021A，當(dāng)“ IN”腳輸入高電平，對(duì)應(yīng)“ OUT”腳將功率繼電器的引腳電平拉低，功率繼電器線圈導(dǎo)通。在系統(tǒng)確定汽車(chē)處于遇警情況的狀態(tài)下，微處理器可以進(jìn)行汽車(chē)自鎖操作，即 CPU 直接阻斷汽車(chē)的點(diǎn)火電路，使竊賊即便進(jìn)入車(chē)內(nèi)也無(wú)法將車(chē)開(kāi)走。時(shí)鐘工作頻率由OSC1, OSC2 外接 Ross 電阻設(shè)定。操作電壓 5V，由報(bào)警系統(tǒng)提供的經(jīng)一次降壓后的電壓再經(jīng) 轉(zhuǎn)化得到。該芯片可以直接驅(qū)動(dòng)外圍電路的三極管，并由其帶動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警 [9]。該系列芯片是將聲音的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后存儲(chǔ)在芯片中，由電平信號(hào)觸發(fā)語(yǔ)音回放的語(yǔ)音芯片 。由于掩膜型語(yǔ)音芯片具有品種多、外圍電路簡(jiǎn)單、體積小、使用方便、價(jià)格便宜等多種優(yōu)勢(shì)，且具有工作電壓范圍寬 (直流 ～ 5 V )、功耗低 (工作電流典型值 ～ )等特點(diǎn)，故可以將其選用于車(chē)載電子系統(tǒng)。由于報(bào)警系統(tǒng)提高了警情確認(rèn)的可靠性，就能夠降低因誤 報(bào)警而產(chǎn)生的噪聲污染，減少了噪聲擾民情況的發(fā)生。 TC35 還為用戶提供了良好的用戶接口 —— RS232，通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊大多的控制功能 [8]。它的設(shè)計(jì)目的就是為用戶提供一種方便的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)無(wú)第 3 章 多傳感器信息融合汽車(chē)防盜系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 25 線連接的解決方 案，它可以廣泛的應(yīng)用在 GSM 相關(guān)的平臺(tái)，讓用戶以最小的代價(jià)搭建自己的無(wú)線解決方案。 (2) TC35 GSM 模塊簡(jiǎn)介 GSM 模塊 TC35 是西門(mén)子公司為工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)的無(wú)線通信模塊，主要技術(shù)參數(shù)如表 所示。附加業(yè)務(wù)是對(duì)基本業(yè)務(wù)的改進(jìn)和補(bǔ)充，它不單獨(dú)向用戶提供，而必須與基本業(yè)務(wù)一起提供。電信業(yè)務(wù)是指為用戶通信提供的包括終端設(shè)備 功能在內(nèi)的完整能力的通信業(yè)務(wù)，主要包括電話業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、緊急呼叫業(yè)務(wù)、短信息業(yè)務(wù)和傳真業(yè)務(wù)。 GSM 業(yè)務(wù)按照 ISDN 對(duì)業(yè)務(wù)的分類(lèi)方法可分為基本業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)。 GSM 系統(tǒng)是一個(gè)全數(shù)字的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，它由幾個(gè)分系統(tǒng)組成，可以與各種公用通信網(wǎng)互聯(lián)互通。另外系統(tǒng)仍延用傳統(tǒng)汽車(chē)防盜器的聲光報(bào)警方式，以起到警示、震懾 的作用：汽車(chē)自鎖主要是關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火電路，使汽車(chē)無(wú)法發(fā)動(dòng)。防盜系統(tǒng)的報(bào)警主要采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò) GSM 短消息的方式進(jìn)行，根據(jù)不同的警報(bào)級(jí)別發(fā)送不同的短消息，如“整車(chē)搬運(yùn)”、“車(chē)體破壞”、“非法開(kāi)啟”和“入車(chē)盜竊”等。 不但能為傳感器及其信號(hào)處理電路提供高精度的電源電 壓，而且微處理器通過(guò)向其 SD 引腳輸入高低電平控制電源輸出的開(kāi)閉，進(jìn)而可以控制整個(gè)模塊的開(kāi)啟與關(guān)閉 [7]。這樣不但能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器信息的初步融合，而且該信號(hào)可以作為其它傳感器的開(kāi)啟信號(hào)，與開(kāi)關(guān)電源聯(lián)合使用能夠?qū)崿F(xiàn)降低系統(tǒng)功耗的功能。 C 圖為模塊控制信號(hào)和信號(hào)輸出端口。其中 A 圖為熱釋電紅外傳感器 RE200B 信號(hào)采集及處理電路， U1 為 PIR 探測(cè)頭， U2 為相關(guān)阻容器件構(gòu)成濾波、放大電路， R7, R8 用于設(shè)定輸出電壓信號(hào)的中心值。一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元件接收，但是兩片熱釋電元件接收到的熱量不同，熱釋電量也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。即傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電元件幾乎具有相同的作用、使其產(chǎn)生的熱釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。 (2)熱釋電紅外傳感器的汽車(chē)防盜應(yīng)用 圖 38 霍爾開(kāi)關(guān)器件的局部信息融合 第 3 章 多傳感器信息融合汽車(chē)防盜系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 23 熱釋電紅外傳感器的敏感元采用上海尼塞拉傳感器有限公司的 RE200B型雙靈敏元熱釋電紅外傳感器。在被動(dòng)紅外探測(cè)器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無(wú)人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體 進(jìn)人警戒區(qū)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號(hào)，因此，熱釋電紅外傳感器探測(cè)的是感應(yīng)到的移動(dòng)物體與背景物體的溫度的差異。人體可輻射出中心波長(zhǎng)為 9～ l0μ m 的紅外線，而用于人體檢測(cè)的紅外傳感器波長(zhǎng)靈敏度特性在 ～ 20μ m范圍內(nèi)幾乎是穩(wěn)定不變的。 熱釋電紅外線傳感器能將波長(zhǎng)為 5～ 14μ m之間的紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并能對(duì)自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用。 熱釋電紅外線傳感器是 20世紀(jì) 80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型敏感元件。 圖 37 單個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)用原理圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 利用熱釋電紅外傳 感器對(duì)人體入侵進(jìn)行監(jiān)測(cè) (1)熱釋電紅外傳感器的基本原理 由于電石、酒石酸鉀鈉 (羅謝爾鹽 )、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自發(fā)極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。信號(hào)處理電路的示意圖如 38 所示。 R1用于器件的保護(hù)。在輸入端靠近芯片 A3210E 的位置處，應(yīng)設(shè)置 C1= F的旁路電容，可以減小外部噪聲和內(nèi)部斬波對(duì)傳感器信號(hào)的影響。 (3)A3210E 的汽車(chē)防盜應(yīng)用方案 單個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)器件的原理圖如圖 37 所示。當(dāng)外加磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，霍爾電壓發(fā)生器產(chǎn)生微小的電壓變化，經(jīng)斬波處理后送入放大器，再經(jīng)鎖相器鎖相后，由場(chǎng)效應(yīng)管輸出高低電平信號(hào)。封裝形式有貼片式和單列直插式兩種，應(yīng)用溫度范圍 40～ +85oC。采用數(shù)字信號(hào)輸出，在南、北磁極的作用下均能產(chǎn)生霍爾效應(yīng)： 磁極靠近時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，輸出電平為低，磁極遠(yuǎn)離時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，輸出電平為高電平。由于存在 EH，半導(dǎo)體片兩側(cè)面間出現(xiàn)電位差 UH，稱(chēng)為霍耳電勢(shì)。在力 FB的作用下，電子向半導(dǎo)體片的一個(gè)側(cè)面偏轉(zhuǎn)，在該側(cè)面上形成電子的積累，而在相對(duì)的另一側(cè)面上因缺少電子而出現(xiàn)等量的正電荷。平面。所產(chǎn)生的電位差稱(chēng)作霍爾電勢(shì)，它是由于運(yùn)動(dòng)載流子受到磁場(chǎng)力的作用 (稱(chēng)為洛侖茲力 )，而在薄片兩側(cè)分別形成電子、正電荷的積累所致。如果這個(gè)絕對(duì)值之和超過(guò)設(shè)定的數(shù)字閉值，微處理器就可以進(jìn)行報(bào)警。 利用軟件積分器測(cè)量振動(dòng)的能量。然后，將信號(hào)送入微處理器的 A/D 端口進(jìn)行模數(shù)T 1T 2圖 35 數(shù)字輸出加速度的計(jì)算方法 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 轉(zhuǎn)換。由于 在 XFILT、 YFILT端口輸出的模擬信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò) 200Hz低通濾波，需將信號(hào)經(jīng) 10Hz高通濾波，才能達(dá)到振動(dòng)監(jiān)測(cè)所需的 10～ 200Hz 帶寬要求。首先，將 XFILT、 YFILT引腳的濾波電容 CX, CY設(shè)定為 F，這樣輸出的數(shù)字、模擬信號(hào)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(hào)分別經(jīng)過(guò)低通濾波和高通濾波，就可以獲得傾斜、振動(dòng)監(jiān)測(cè)所需帶寬的信號(hào)。 汽車(chē)防盜中，車(chē)體傾斜角度的測(cè)量要求其信號(hào)具有很小的噪聲，需限制信號(hào)帶寬。從 XOUT、 YOUT輸出的數(shù)字信號(hào)直接輸入微處理器的計(jì)數(shù)器定時(shí)器端口，以便進(jìn)行重力加速度的測(cè)量，從而可以得出車(chē)體傾角的變化。由于芯片與微處理器共用一個(gè)供電電源，在電源與 VDD間需增加一個(gè)磁珠或 100Ω的電阻，以減小數(shù)字信號(hào)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的干擾。采用何種輸出方法，需根據(jù)具體的使用條件進(jìn)行確定。第一種方法輸出信號(hào)帶寬比較寬，但需外加電壓跟隨器才能帶載。 VDDSTT2COMYOUTXOUTYFILTXFILT 12356784第 3 章 多傳感器信息融合汽車(chē)防盜系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 19 利用模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以直接應(yīng)用從 XFILT、 YFILT引腳輸出的模擬信號(hào)。 在采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，只要利用微處理器的計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器端口分別采集信號(hào)的工作周期脈寬 T1和工作周期的時(shí)間長(zhǎng)度 T2，利用公式 35就可以得出被測(cè)加速度的值。 3～ 單電源供電，工作電流小于 6mA，可以測(cè)量 05kHz，177。因此可以利用 ADXL202E 同時(shí)對(duì)車(chē)體的振動(dòng)和傾斜角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 利用加速度傳感器對(duì)車(chē)體振動(dòng)與傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè) 對(duì)車(chē)體的振動(dòng)與傾斜狀況進(jìn)行測(cè) 量，可以對(duì)竊賊采用拖吊法盜竊車(chē)輛以及破壞車(chē)體的現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警。 微波多普勒監(jiān)測(cè)模塊是整個(gè)防盜系統(tǒng)的第一級(jí)模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定的預(yù)警范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)物體的監(jiān)測(cè)。這樣不但能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器信息的初步融合，而且該信號(hào)可以作為其它傳感器的開(kāi)啟信號(hào)，與開(kāi)關(guān)電源聯(lián)合使用能夠?qū)?現(xiàn)降低系統(tǒng)功耗的功能。 C 圖為模塊控制信號(hào)和信號(hào)輸出端口。其中， A 圖為 HB100第 3 章 多傳感器信息融合汽車(chē)防盜系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 17 信號(hào)采集及處 理電路， U1 為微波多普勒發(fā)生 /接收模塊， U2 為相關(guān)阻容器件構(gòu)成濾波、放大電路， Rd5, Rd6, Cd5 用于設(shè)定輸出電壓信號(hào)的中心值，并將監(jiān)測(cè)電路的上電時(shí)間進(jìn)行延遲以防止系統(tǒng)由于過(guò)早啟動(dòng)引起誤報(bào)警。 HB100 的多普勒效應(yīng)收發(fā)機(jī)模塊利用介質(zhì)諧振振蕩器和微帶接插天線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低電流消耗、高溫穩(wěn)定性、高靈敏度和扁平外形。因此將微波多普勒測(cè)速傳感器用于汽車(chē)防盜系統(tǒng)，就可以在汽車(chē)周?chē)O(shè)置一個(gè)全方位的預(yù)警監(jiān)測(cè)空間。 由于微波相干性好，多普勒法測(cè)量在原則上沒(méi)有死區(qū)的存在，可對(duì) 360度的一個(gè)圓區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)波源的發(fā)射波投射到運(yùn)動(dòng)的物體上時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，反射波或散射波的頻率會(huì)發(fā)生變化。多普勒效應(yīng)可以發(fā)生在波的各個(gè)頻段