倪 原，王 芳，陸文總，孟祥艷，潘海仙

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

制造爆炸事件一直以來(lái)都是恐怖分子危害國(guó)家安定和國(guó)民人身財(cái)產(chǎn)安全的主要手段，所以檢測(cè)爆炸物的技術(shù)在不斷研究、發(fā)展和改進(jìn)，爆炸物檢測(cè)主要有塊狀炸藥探測(cè)和微量炸藥探測(cè)[1-3]。本文介紹的是基于分子印跡壓電傳感器的微量炸藥探測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)使用的傳感器輸出方波信號(hào)，設(shè)計(jì)兩路傳感器輸入，一路為檢測(cè)傳感器；一路為參考傳感器。設(shè)計(jì)思想是在電路中提取檢測(cè)傳感器和參考傳感器的相對(duì)輸出，兩路信號(hào)經(jīng)混頻得到頻率差信號(hào)[3]，頻差信號(hào)經(jīng)過(guò)變換后送入單片機(jī)，軟件對(duì)外部輸入信號(hào)計(jì)算后進(jìn)行數(shù)碼管顯示。由于設(shè)計(jì)中要處理四路爆炸物的檢測(cè)，所以單片機(jī)外圍需要設(shè)計(jì)多路開(kāi)關(guān)和按鍵選擇，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)確定4路信號(hào)中的哪一路輸入給單片機(jī)，從而確定被測(cè)爆炸物的種類。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文中使用的傳感器是基于分子印跡和壓電晶體[6]制作而成，能夠?qū)Ρ粶y(cè)物進(jìn)行識(shí)別[3]。實(shí)驗(yàn)中所用晶振的頻率在幾～十幾MHz左右，傳感器結(jié)合被測(cè)物之后的頻率變化量在幾～十幾kHz左右，故而在電路處理中設(shè)計(jì)參考電路和檢測(cè)電路以實(shí)現(xiàn)輸出傳感器與被測(cè)物結(jié)合反應(yīng)后的頻差信號(hào)[4]。

如圖1所示，檢測(cè)一種被測(cè)物需要在混頻電路前設(shè)計(jì)兩路處理電路，分別對(duì)檢測(cè)傳感器和參考傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，電路參數(shù)保持一致，以便維持模擬電路處理部分兩路頻率信號(hào)的穩(wěn)定。

圖1 探測(cè)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Detection system block diagram

2 分子印跡壓電傳感器的信號(hào)處理

2.1 分子印跡壓電傳感器的工作原理

2.2 檢測(cè)電路與處理電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中有四路被測(cè)爆炸物，檢測(cè)電路相同，但是實(shí)際參數(shù)設(shè)置不同。傳感器輸出方波信號(hào)，檢測(cè)傳感器因?yàn)榻Y(jié)合被測(cè)物發(fā)生反應(yīng)，故而輸出頻率（f0m）下降；參考傳感器不發(fā)生與被測(cè)物的結(jié)合，故輸出頻率（fr）與檢測(cè)傳感器未結(jié)合被測(cè)物的輸出頻率（f0）一致。 設(shè)計(jì)中提取的頻差就是 fd=（ fr）-（f0m），混頻器可以得到兩輸入信號(hào)的和頻分量、差頻分量的疊加信號(hào)?；祛l器輸入要求是正弦波，所以頻率為（f0m）和（fr）兩路方波信號(hào)需要進(jìn)行波形變換，轉(zhuǎn)換成正弦波作為混頻器的輸入，混頻后得到頻差信號(hào)的輸出，正弦波經(jīng)過(guò)低通濾波整形后可以得到頻率為fd的方波信號(hào)，該信號(hào)既可作為單片機(jī)的輸入信號(hào)，做下一步的頻率測(cè)量和顯示。

2.3 模擬混頻電路

高頻電子電路中常常需要將信號(hào)頻率變換為另一頻率，這樣不僅能滿足各種無(wú)線電設(shè)備的需求，而且有利于提高設(shè)備的性能。對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率變換，實(shí)際上是指新頻率等于信號(hào)原來(lái)頻率與某一參考頻率的和或差?；祛l器常用的非線性器件有二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和乘法器。參考信號(hào)VL需要是與輸入信號(hào)VS等幅的信號(hào)。因?yàn)槟M相乘器的輸出頻率是包含兩個(gè)輸入頻率和差的疊加信號(hào)，故模擬乘相器加濾波器即可得到和頻或者差頻，構(gòu)成混頻器。

設(shè)載波頻率為fS，參考頻率為fL；輸入信號(hào)為vS=VScos（2πfS），參考信號(hào)為 vL=VLcos（2π fL），則混頻后 Sout=VSVLcos[2π（fS+fL）]+VSVLcos[2π（fS-fL）]。 再經(jīng)過(guò)低通濾波器即可得到兩輸入信號(hào)的頻率差信號(hào)。

本系統(tǒng)采用MC1496設(shè)計(jì)混頻電路，如圖2所示，Port1和Port2分別輸入相同幅度不同頻率（fS和fL）的正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路后由OUT輸出fS和fL的差頻分量、和頻分量的疊加信號(hào)，根據(jù)差頻的范圍設(shè)計(jì)合適的低通濾波器，從而濾除和頻分量。

圖2 MC1496混頻電路Fig.2 MC1496 Mixer circuit

2.4 多路選擇電路設(shè)計(jì)

4路被測(cè)物經(jīng)過(guò)模擬電路處理后接入多路開(kāi)關(guān)的4個(gè)通道，多路開(kāi)關(guān)使能狀態(tài)下（INH=1）輸入的地址碼CBA用了決定通道選通狀態(tài)，從而將被測(cè)物的差頻方波信號(hào)接入單片機(jī)做頻率的計(jì)算和顯示[8]。

圖3 多路開(kāi)關(guān)與單片機(jī)連接原理圖Fig.3 Multiplexer and microcontroller connection schematic

系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)四路被測(cè)物，所以多路開(kāi)關(guān)只需要BA兩個(gè)地址碼編譯選通通道，OUTPUTA，OUTPUTB，OUTPUTC，OUTPUTD為四路fdA，fdB，fdC，fdD方波信號(hào)，通道選通后經(jīng)過(guò)OUTPUT接入單片機(jī)的P1.1口。CD4051的INH，B，A分別接單片機(jī)的P2.3，P2.0，P2.1口。DD4051使能條件下，BA的狀態(tài)（00，01，10，11）分別接通（fdA， fdB， fdC， fdD）信號(hào)的通道。INH 的狀態(tài)決定了CD4051是否處于選通功能，INH為高電平時(shí)CD4051不允許信號(hào)接入單片機(jī)，INH為低電平時(shí)CD4051。設(shè)計(jì)3個(gè)按鍵，分別接單片機(jī)的P1.0，P1.3，P1.4口，3個(gè)按鍵的功能分別設(shè)定為CD4051的開(kāi)關(guān)鍵、通道選通加、通道選通減。

2.5 顯示控制電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，使用MAX7219顯示驅(qū)動(dòng)芯片能夠有效地節(jié)省單片機(jī)IO口資源，該驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)僅需要三根引線，CLK時(shí)鐘序列輸入端。最大速率為10 MHz在時(shí)鐘的上升沿，數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移位寄存器。下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)從DOUT端輸出。DIN串行數(shù)據(jù)輸入端口。在時(shí)鐘上升沿時(shí)需要顯示的數(shù)據(jù)被載入內(nèi)部的16位寄存器。LOAD載入數(shù)據(jù)。連續(xù)數(shù)據(jù)的后16位在LOAD端的上升沿時(shí)被鎖定。MAX7219芯片可一次驅(qū)動(dòng)8個(gè)7段數(shù)碼管，根據(jù)不同的位選點(diǎn)亮不同位置的數(shù)碼管。

圖4 MAX7219與數(shù)碼管連接圖Fig.4 MAX7219 and digital tube connection diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括：按鍵掃描模塊，LED顯示，多路選通模塊，信號(hào)處理模塊。

3.1 按鍵掃描模塊設(shè)計(jì)

如圖5所示，單片機(jī)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)程序進(jìn)入按鍵中斷服務(wù)程序，設(shè) P1IO口對(duì)應(yīng)鍵號(hào)分別為0x01、0x08，0x10，相應(yīng)按鍵按下時(shí)所對(duì)應(yīng)鍵值分別為 0x18、0x11，0x09，Key Process_x（）中根據(jù)鍵值分別編寫處理程序，其中x取值為0、3、4。

3.2 多路選通模塊設(shè)計(jì)

連接P1.0的按鍵按下時(shí)使能CD4051，連接P1.3的按鍵按下時(shí)通道選擇上移，連接P1.4的按鍵按下時(shí)通道選擇上移。使能多路開(kāi)關(guān)的按鍵KeyProcess_0（）中置位使能標(biāo)志，使得按鍵中斷處理中使能按鍵優(yōu)先級(jí)最高，通道選擇處理程序中必須先判斷多路開(kāi)關(guān)是否使能，再?zèng)Q定通道上移或者下移。

圖5 按鍵掃描中斷服務(wù)程序流程圖Fig.5 Key scan interrupt service routine flow chart

圖6 按鍵處理程序流程圖Fig.6 Key treatment program flow chart

選通的頻率信號(hào)由P1.1接入單片機(jī)，程序設(shè)計(jì)中將P1.1口設(shè)置為輸入的IO，允許P1.1中斷，設(shè)置上升沿（下降沿）觸發(fā)中斷，單片機(jī)檢測(cè)到脈沖信號(hào)上升沿（下降沿）時(shí)P1IFG1.1置位，進(jìn)入到P1口中的斷服務(wù)程序，完成脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和記錄當(dāng)前脈沖到來(lái)時(shí)定時(shí)器A寄存器TACCR0中的值，若是第一個(gè)脈沖則將TACCR0的值存入變量Cap_first；否則將存入變量Cap_last，其中P1IFG1.1需要手動(dòng)軟件清零，以便于下次中斷事件置位，流程圖如圖7所示。

圖7 信號(hào)捕獲中斷服務(wù)程序流程圖Fig.7 Signal capture interrupt service routine flow chart

定時(shí)時(shí)間到時(shí)程序執(zhí)行定時(shí)器的中斷服務(wù)程序，若還沒(méi)有檢測(cè)到脈沖則存儲(chǔ)脈沖個(gè)數(shù)的變量Pulse_count賦零；否則定時(shí)時(shí)間內(nèi)捕獲到的脈沖個(gè)數(shù)儲(chǔ)存到Pulse_count，捕獲到的脈沖總周期的時(shí)長(zhǎng)為Pulse_time，置位頻率計(jì)算標(biāo)志，流程圖如圖8所示。

圖8 定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖Fig.8 Timer interrupt service routine flow chart

3.3 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

主程序中檢測(cè)到頻率計(jì)算標(biāo)志置位后結(jié)合通道選擇值調(diào)用頻率計(jì)算程序，各種爆炸物有不同的閾值頻率值，達(dá)到閾值的頻率值就認(rèn)為有爆炸物結(jié)合到傳感器上，能夠顯示出當(dāng)下傳感器結(jié)合了被測(cè)物之后檢測(cè)傳感器相對(duì)于參考傳感器的輸出頻率差值，并且顯示出該爆炸物對(duì)應(yīng)的種類，實(shí)現(xiàn)爆炸物探測(cè)的定性分析。

圖9 主程序流程圖Fig.9 Main program flow chart

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的探測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)功能能夠滿足要求，其中文中提出的頻率測(cè)量方法充分利用了MSP430單片機(jī)的高性能和片內(nèi)資源,所設(shè)計(jì)的硬件電路性能良好，可靠性高，成本低，解決了10 Hz-65 kHz范圍內(nèi)的頻率準(zhǔn)確測(cè)量問(wèn)題，相對(duì)誤差均保持在0.05%以內(nèi),并能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試通道選擇、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、通信等功能。

[1]曹磊.MSP430單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.