Принципиальная схема датчика разбития стекла

Принципиальная схема датчика разбития стекла background image

88

пос

ле

р

аб

о

ты

www.elcomdesign.ru

В статье описаны алгоритм распознавания звука разбивающегося стек-

ла и принцип работы системы оповещения. Дана структурная схема

датчика разбития стекла на основе недорогого микроконтроллера Texas

Instruments.

Датчик разбития стекла —

всё под контролем

Крипасагар ВенКат (Kripasagar VenKat), системный инженер, Texas Instruments

Датчик разбития стекла обнаружи-

вает акустические колебания и анали-

зирует, произошло ли разбитие стек-

ла. работа датчика в значительной

степени зависит от качества приема

звука, а также других условий: типа

стекла, его толщины и размера, рас-

стояния между датчиком и стеклом,

материала и габаритов предмета,

которым было разбито стекло, и др. В

связи с этим универсального алгорит-

ма распознавания не существует, хотя

все они основаны на одном принципе.

различаются пороговые значения и

другие параметры.

по своему спектру звук разбито-

го стекла напоминает белый шум (см.

рис. 1). В нем присутствует множество

высокочастотных компонент. однако

в отличие от шума, ВЧ-колебания

всегда предваряет низкочастотный

выброс (200…300 Гц), обусловленный

ударом предмета о стекло. Именно

на этой особенности строится боль-

шинство алгоритмов распознавания

звука разбивающегося стекла. так,

если был зарегистрирован звук удара,

а ВЧ-колебаний не последовало, это

свидетельствует о том, что событие

не произошло, система сработала на

посторонний звук.

требоВания К элементам

устройстВа

Датчик разбития стекла предназна-

чен для непрерывной работы и посто-

янно находится во включенном состоя-

нии. реакция на любые звуки должна

быть незамедлительной, чтобы обеспе-

Рис. 1. Спектральный состав звука разбивающего-

ся стекла

чить безопасность. отсюда вытекают

два важных требования к устройству:

низкое энергопотребление и возмож-

ность работы в режиме реального вре-

мени. при этом второстепенные блоки

можно отключить или перевести в

энергосберегающий режим, чтобы уве-

личить срок службы элементов пита-

ния.

Все акустические колебания улав-

ливаются микрофоном, усиливаются и

проходят через заграждающий фильтр,

который отсекает ВЧ-составляющие

за пределами слышимого диапазона

(20 кГц). Затем аналоговый сигнал пре-

образуется аЦп в цифровую форму для

последующей обработки. Частота дис-

кретизации F

S

зависит от спектрального

состава сигнала, однако для корректно-

го восстановления исходного сигнала

она должна быть не ниже 40 кГц. Далее

сигнал поступает в блок анализа, где

определяется, произошло ли искомое

событие. если параметры сигнала совпа-

дают с характерными параметрами для

звука разбивающегося стекла, событие

считается наступившим и активизирует-

ся исполнительное устройство (сирена,

светодиодный индикатор, блокировка

двери и т.п.).

В качестве вычислительного ядра

датчика может применяться процес-

сор, микроконтроллер (МК) или сбИс.

Выбор зависит от условий эксплуа-

тации и назначения датчика. В боль-

шинстве случаев подобные системы

располагаются в помещении, питают-

ся от батарей или аккумуляторов и

имеют компактный размер. Для таких

устройств наиболее подходящей осно-

вой является МК, поскольку он имеет

сравнительно низкую стоимость, мало

потребляет, легко программирует-

ся и поддерживает работу в режиме

реального времени. Кроме того, обыч-

но микроконтроллеры имеют широ-

кий набор встроенных периферийных

устройств, а также аЦп.

Микрофон относится к тем элемен-

там схемы, которые работают посто-

янно. он должен не только мгновенно

регистрировать акустические колеба-

ния, но и иметь низкое энергопотре-

бление. Усилитель на выходе микро-

фона должен обладать достаточно

высоким коэффициентом усиления и

низким током включения.

В качестве заграждающего фильтра

обычно используется простой ФНЧ

первого или второго порядка, пред-

ставляющий собой операционный уси-

литель с коэффициентом усиления 1.

алгоритм работы

примерно каждые 2,5 мс микро-

фон и оУ1 переводятся в активное

состояние и проверяют звуковой

фон. если акустических колебаний

не обнаружено, они выключаются и

МК переходит в режим со сниженным

энергопотреблением. В противном

случае начинается процедура иденти-

фикации звука удара. Для этого запу-

скается аЦп и в его выходном сигнале

производится поиск низкочастотной

компоненты. если она найдена, про-

грамма переходит к алгоритму обна-

ружения шумоподобного высокоча-

стотного звука разбитого стекла. если

нет, то повторяется прослушивание

на наличие звуковой активности. при

обнаружении звука разбивающегося

стекла активизируется светодиодный

индикатор или сирена, чтобы опове-

стить пользователя. Далее весь алго-

ритм повторяется.

Для обнаружения звуковых колеба-

ний производится сравнение входного

сигнала аЦп с предустановленными

пороговыми значениями, чтобы отли-

чить полезный сигнал от шума. Глухой

звук удара слышен только вначале,

по этому цифровой ФНЧ с частотой

отсечки 350 Гц фильтрует только первые

несколько выборок. Далее отфильтро-

ванные выборки усредняются и срав-

ниваются с предустановленным поро-

говым значением. если энергия сигнала

превышает порог, система регистриру-

ет звук удара, после чего запускается

алгоритм обнаружения звука разбива-

ющегося стекла. Цифровой ФНЧ дол-

жен быть небольшим, но эффективным,

с частотой выборки 4 кГц. В этом же

каскаде стоит заграждающий фильтр с

частотой отсечки 2 кГц.

алгоритм обнаружения звука разби-

вающегося стекла сложнее. он состоит

background image

пос

ле

р

аб

о

ты

89

электронные компоненты №10 2010

из двух частей: первичная обработ-

ка на наличие звука удара предме-

та о стекло, проводящаяся в каждой

выборке, и вторичная, на которой про-

изводится поиск ВЧ шумоподобного

сигнала.

На первой стадии используется

заграждающий фильтр с полосой 20 кГц.

Выборки производятся с частотой 40

кГц. сигнал усредняется, после чего про-

изводится подсчет пересечений нуля и

положительных пиков, которые появля-

ются примерно каждые 60 мс или 2400

выборок. Для выделения ВЧ-компонент

исходного сигнала используется ФВЧ

с частотой отсечки, равной ¼ частоты

выборки. Данные операции произво-

дятся над всеми выборками и должны

завершаться до прихода следующей

выборки, чтобы обеспечить работу в

режиме реального времени.

На второй стадии поиска рабо-

та в реальном времени не требуется.

производится анализ сигнала и выно-

сится решение, последовал ли звук

разбивающегося стекла за ударом. Для

этого вычисляется отношение пол-

ной энергии сигнала к энергии, про-

шедшей через ФВЧ. если оно лежит в

пределах 1,75—14, то регистрируется

наступление события. Затем проверя-

ется количество пиков (должно быть

в пределах 160—320) и пересечений

нуля (95—300). если все условия выпол-

няются, то считается, что стекло было

разбито и производится запуск испол-

нительного устройства.

В зависимости от внешних условий

пороговые значения можно изменить.

Рис. 2. Структурная схема датчика

описание схемы

структурная схема устройства пока-

зана на рисунке 2. В качестве осно-

вы схемы был выбран 16-разрядный

МК MSP430F2274 (Texas Instruments)

с рабочей частотой 16 МГц и ультра-

низким потреблением. он содержит

внутренний маломощный низкочастот-

ный осциллятор с частотой 12 кГц, два

16-разрядных таймера и 10-разрядный

аЦп с частотой преобразования до

200 кГц.

Для формирования входного анало-

гового аЦп предусмотрено два усили-

теля 0 и 1. оУ 0 работает как инверти-

рующий усилитель с коэффициентом

усиления 7 и усиливает выходной сиг-

нал микрофона.

Микроконтроллер потребляет 0,7 мка

в режиме ожидания и 250 мка в актив-

ном режиме, что делает его подходя-

щим для устройств с питанием от бата-

рей. поскольку MSP430F2274 содержит

два оУ, то внешний заграждающий

фильтр можно исключить. теоретиче-

ски это ухудшит характеристики схемы,

однако на практике разница почти

незаметна.

ориентировочный срок работы от

двух элементов ааа емкостью 800 мач

составляет 416 дней, если звук разби-

вающегося стекла обнаружен не был.

Этот срок можно увеличить, если про-

изводить включение микрофона реже,

однако при этом повышается риск про-

пуска события.

Литература

1. Venkat K. Glass-breakage detector

uses one microcontroller//www.edn.com/

article/510388-Glass_breakage_detector_

uses_one_microcontroller.php.

Новости процессоров

| исслеДоВатели ВстраиВают процессор В полимерную пленКу |

На конференции ISSCC , которая состоится в фев-

рале 2011 г. в Сан-Франциско, исследователи из Европы расскажут о 8-разрядном 6-Гц устройстве, сформированном на двух

листах полимерной пленки толщиной всего 25 мкм и использующим 10-В питание.

Как сказал один из организаторов ISSCC Кен Смит (Ken Smith), органический процессор представляет собой вполне

реальную перспективу, хотя сейчас еще далеко до его практического использования.

На другом краю спектра представленных на конференции разработок IBM находится один из самых быстрых на

сегодняшний день микропроцессоров — 5,2-ГГц КМОП-чип, разработанный для большой ЭВМ серии Z этой компании.

4-ядерный центральный процессор, изготовленный по 45-нм технологии «кремний-на-изоляторе», содержит почти

30-Мбайт кэш-память и будет использоваться в системах zEnterprise от IBM.

Корпорация Intel собирается установить рекорд со своим 32-нм процессором Itanium, который содержит 3,1 млрд

транзисторов, большинство из которых используется для 54-Мбайт кэш-памяти. Ее объем почти в два раза превосходит

размер кэш-памяти, когда-либо реализованный на кристалле.

8-ядерный процессор Poulson от Intel имеет площадь кристалла 544 мм

2

по сравнению с кристаллом площадью 512 мм

2

для ЭВМ серии Z от IBM. Процессор Poulson использует версию технологии Intel Quick Path Interconnect, которая обе-

спечивает скорость обмена информацией на уровне 8 Гпересылок/с, а также встроенную скоростную кольцевую шину,

заимствованную из серверного процессора Nehalem.

Независимо друг от друга, корпорация Intel и ее главный соперник, компания Advanced Micro Devices, представят

набор процессоров, совмещающих x86-ядро и графическое ядро, которые дебютируют в январе. Intel расскажет о 32-нм

процессоре Sandy Bridge, который содержит четыре x86-ядра и графическое ядро. AMD представит 40-нм процессор

Zacate, использующий два новых x86-ядра Bobcat и графическое ядро Radeon HD5000.

www.elcomdesign.ru

Принципиальная схема датчика разбития стекла
Принципиальная схема датчика разбития стекла

Датчик Принципиальная схема датчика разбития стекла
Датчик Принципиальная схема датчика разбития стекла

6 вопросов про механические противоугонные Принципиальная схема датчика разбития стекла
6 вопросов про механические противоугонные Принципиальная схема датчика разбития стекла

Безопасность жизнедеятельности. Проблемы создания Принципиальная схема датчика разбития стекла
Безопасность жизнедеятельности. Проблемы создания Принципиальная схема датчика разбития стекла

Принципиальная схема датчика разбития стекла Белокопытник - Травянистые растения для открытого
Принципиальная схема датчика разбития стекла Белокопытник - Травянистые растения для открытого

Принципиальная схема датчика разбития стекла ВЯЗАНЫЕ ДЕТСКИЕ КОФТОЧКУКАВАМИ РЕГЛАН (Вязание)
Принципиальная схема датчика разбития стекла ВЯЗАНЫЕ ДЕТСКИЕ КОФТОЧКУКАВАМИ РЕГЛАН (Вязание)

Принципиальная схема датчика разбития стекла Домик для детей Строительство на участке
Принципиальная схема датчика разбития стекла Домик для детей Строительство на участке

Похожие статьи