一種爆炸物探測系統設計

倪 原，王 芳，陸文總，孟祥艷，潘海仙

（西安工業大學 電子信息工程學院，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安全的主要手段，所以檢測爆炸物的技術在不斷研究、發展和改進，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。系統使用的傳感器輸出方波信號，設計兩路傳感器輸入，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，兩路信號經混頻得到頻率差信號[3]，頻差信號經過變換后送入單片機，軟件對外部輸入信號計算后進行數碼管顯示。由于設計中要處理四路爆炸物的檢測，所以單片機外圍需要設計多路開關和按鍵選擇，通過多路開關確定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 系統總體設計

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，能夠對被測物進行識別[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計參考電路和檢測電路以實現輸出傳感器與被測物結合反應后的頻差信號[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，電路參數保持一致，以便維持模擬電路處理部分兩路頻率信號的穩定。

圖1 探測系統原理框圖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計

設計中有四路被測爆炸物，檢測電路相同，但是實際參數設置不同。傳感器輸出方波信號，檢測傳感器因為結合被測物發生反應，故而輸出頻率（f0m）下降；參考傳感器不發生與被測物的結合，故輸出頻率（fr）與檢測傳感器未結合被測物的輸出頻率（f0）一致。 設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。混頻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備的需求，而且有利于提高設備的性能。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。混頻器常用的非線性器件有二極管、三極管、場效應管和乘法器。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，構成混頻器。

設載波頻率為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）]。 再經過低通濾波器即可得到兩輸入信號的頻率差信號。

本系統采用MC1496設計混頻電路，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，根據差頻的范圍設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 多路選擇電路設計

4路被測物經過模擬電路處理后接入多路開關的4個通道，多路開關使能狀態下（INH=1）輸入的地址碼CBA用了決定通道選通狀態，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 多路開關與單片機連接原理圖Fig.3 Multiplexer and microcontroller connection schematic

系統設計檢測四路被測物，所以多路開關只需要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（00，01，10，11）分別接通（fdA， fdB， fdC， fdD）信號的通道。INH 的狀態決定了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定為CD4051的開關鍵、通道選通加、通道選通減。

2.5 顯示控制電路設計

如圖4所示，使用MAX7219顯示驅動芯片能夠有效地節省單片機IO口資源，該驅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，數據移入內部移位寄存器。下降沿時，數據從DOUT端輸出。DIN串行數據輸入端口。在時鐘上升沿時需要顯示的數據被載入內部的16位寄存器。LOAD載入數據。連續數據的后16位在LOAD端的上升沿時被鎖定。MAX7219芯片可一次驅動8個7段數碼管，根據不同的位選點亮不同位置的數碼管。

圖4 MAX7219與數碼管連接圖Fig.4 MAX7219 and digital tube connection diagram

3 軟件設計

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程序，設 P1IO口對應鍵號分別為0x01、0x08，0x10，相應按鍵按下時所對應鍵值分別為 0x18、0x11，0x09，Key Process_x（）中根據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。使能多路開關的按鍵KeyProcess_0（）中置位使能標志，使得按鍵中斷處理中使能按鍵優先級最高，通道選擇處理程序中必須先判斷多路開關是否使能，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，程序設計中將P1.1口設置為輸入的IO，允許P1.1中斷，設置上升沿（下降沿）觸發中斷，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口中的斷服務程序，完成脈沖信號的計數和記錄當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 信號捕獲中斷服務程序流程圖Fig.7 Signal capture interrupt service routine flow chart

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

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

3.3 信號處理模塊設計

主程序中檢測到頻率計算標志置位后結合通道選擇值調用頻率計算程序，各種爆炸物有不同的閾值頻率值，達到閾值的頻率值就認為有爆炸物結合到傳感器上，能夠顯示出當下傳感器結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的種類，實現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 論

文中設計的探測系統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資源,所設計的硬件電路性能良好，可靠性高，成本低，解決了10 Hz-65 kHz范圍內的頻率準確測量問題，相對誤差均保持在0.05%以內,并能夠實現測試通道選擇、測試數據顯示、報警、通信等功能。

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