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都是恐怖分子危害國家安定和國民人身財產(chǎn)安全的主要手段，所以檢測爆炸物的技術(shù)在不斷研究、發(fā)展和改進，爆炸物檢測主要有塊狀炸藥探測和微量炸藥探測[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系統(tǒng)。系統(tǒng)使用的傳感器輸出方波信號，設(shè)計兩路傳感器輸入，一路為檢測傳感器；一路為參考傳感器。設(shè)計思想是在電路中提取檢測傳感器和參考傳感器的相對輸出，兩路信號經(jīng)混頻得到頻率差信號[3]，頻差信號經(jīng)過變換后送入單片機，軟件對外部輸入信號計算后進行數(shù)碼管顯示。由于設(shè)計中要處理四路爆炸物的檢測，所以單片機外圍需要設(shè)計多路開關(guān)和按鍵選擇，通過多路開關(guān)確定4路信號中的哪一路輸入給單片機，從而確定被測爆炸物的種類。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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物進行識別[3]。實驗中所用晶振的頻率在幾～十幾MHz左右，傳感器結(jié)合被測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)計參考電路和檢測電路以實現(xiàn)輸出傳感器與被測物結(jié)合反應(yīng)后的頻差信號[4]。

如圖1所示，檢測一種被測物需要在混頻電路前設(shè)計兩路處理電路，分別對檢測傳感器和參考傳感器的輸出信號進行處理，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的穩(wěn)定。

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

2 分子印跡壓電傳感器的信號處理

2.1 分子印跡壓電傳感器的工作原理

2.2 檢測電路與處理電路設(shè)計

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

2.3 模擬混頻電路

高頻電子電路中常常需要將信號頻率變換為另一頻率，這樣不僅能滿足各種無線電設(shè)備的需求，而且有利于提高設(shè)備的性能。對信號進行頻率變換，實際上是指新頻率等于信號原來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、場效應(yīng)管和乘法器。參考信號VL需要是與輸入信號VS等幅的信號。因為模擬相乘器的輸出頻率是包含兩個輸入頻率和差的疊加信號，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；輸入信號為vS=VScos（2πfS），參考信號為 vL=VLcos（2π fL），則混頻后 Sout=VSVLcos[2π（fS+fL）]+VSVLcos[2π（fS-fL）]。 再經(jīng)過低通濾波器即可得到兩輸入信號的頻率差信號。

本系統(tǒng)采用MC1496設(shè)計混頻電路，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，經(jīng)過電路后由OUT輸出fS和fL的差頻分量、和頻分量的疊加信號，根據(jù)差頻的范圍設(shè)計合適的低通濾波器，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

4路被測物經(jīng)過模擬電路處理后接入多路開關(guān)的4個通道，多路開關(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)，從而將被測物的差頻方波信號接入單片機做頻率的計算和顯示[8]。

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

系統(tǒng)設(shè)計檢測四路被測物，所以多路開關(guān)只需要BA兩個地址碼編譯選通通道，OUTPUTA，OUTPUTB，OUTPUTC，OUTPUTD為四路fdA，fdB，fdC，fdD方波信號，通道選通后經(jīng)過OUTPUT接入單片機的P1.1口。CD4051的INH，B，A分別接單片機的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CD4051不允許信號接入單片機，INH為低電平時CD4051。設(shè)計3個按鍵，分別接單片機的P1.0，P1.3，P1.4口，3個按鍵的功能分別設(shè)定為CD4051的開關(guān)鍵、通道選通加、通道選通減。

2.5 顯示控制電路設(shè)計

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

軟件包括：按鍵掃描模塊，LED顯示，多路選通模塊，信號處理模塊。

3.1 按鍵掃描模塊設(shè)計

如圖5所示，單片機檢測到有按鍵按下時程序進入按鍵中斷服務(wù)程序，設(shè) P1IO口對應(yīng)鍵號分別為0x01、0x08，0x10，相應(yīng)按鍵按下時所對應(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

連接P1.0的按鍵按下時使能CD4051，連接P1.3的按鍵按下時通道選擇上移，連接P1.4的按鍵按下時通道選擇上移。使能多路開關(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)先級最高，通道選擇處理程序中必須先判斷多路開關(guān)是否使能，再決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

選通的頻率信號由P1.1接入單片機，程序設(shè)計中將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，單片機檢測到脈沖信號上升沿（下降沿）時P1IFG1.1置位，進入到P1口中的斷服務(wù)程序，完成脈沖信號的計數(shù)和記錄當(dāng)前脈沖到來時定時器A寄存器TACCR0中的值，若是第一個脈沖則將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 信號捕獲中斷服務(wù)程序流程圖Fig.7 Signal capture interrupt service routine flow chart

定時時間到時程序執(zhí)行定時器的中斷服務(wù)程序，若還沒有檢測到脈沖則存儲脈沖個數(shù)的變量Pulse_count賦零；否則定時時間內(nèi)捕獲到的脈沖個數(shù)儲存到Pulse_count，捕獲到的脈沖總周期的時長為Pulse_time，置位頻率計算標(biāo)志，流程圖如圖8所示。

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

3.3 信號處理模塊設(shè)計

主程序中檢測到頻率計算標(biāo)志置位后結(jié)合通道選擇值調(diào)用頻率計算程序，各種爆炸物有不同的閾值頻率值，達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)合了被測物之后檢測傳感器相對于參考傳感器的輸出頻率差值，并且顯示出該爆炸物對應(yīng)的種類，實現(xiàn)爆炸物探測的定性分析。

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

4 結(jié) 論

文中設(shè)計的探測系統(tǒng)各項功能能夠滿足要求，其中文中提出的頻率測量方法充分利用了MSP430單片機的高性能和片內(nèi)資源,所設(shè)計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)確測量問題，相對誤差均保持在0.05%以內(nèi),并能夠?qū)崿F(xiàn)測試通道選擇、測試數(shù)據(jù)顯示、報警、通信等功能。

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