基于時間數(shù)字轉換技術的區(qū)域周界入侵定位系統(tǒng)研究

王小燕

(安徽工貿職業(yè)技術學院 工程實訓中心，安徽 淮南 232009)

0 引言

雖然現(xiàn)有光纖安防系統(tǒng)相比于其他安防系統(tǒng)擁有很大的優(yōu)勢，但是其定位精度在20米開外，并不滿足一些要害部門的安防需求[1-2]，通過改進技術來提高定位精度是很必要的.因為光的傳播距離具有時間敏感性，本文利用時間數(shù)字轉換技術（以下簡稱TDC）來實現(xiàn)對很短的時間差（皮秒級）的測量，解決了傳統(tǒng)方法在短時間測量方面精度低問題，從而實現(xiàn)對入侵地點的精確定位.TDC測量時間間隔時，直接將時間值轉換為二進制數(shù)值，MCU主控芯片通過SPI接口直接讀取該二進制數(shù)值，時間數(shù)值量傳輸和后續(xù)處理顯示的時間并不影響測量精度.TDC分辨率能夠達到65ps，即測量的入侵定位誤差低于0.98cm[3]，完全滿足要害部門的安防需求.

1 方案設計

TDC的定位方案（如圖1），當入侵擾動事件發(fā)生在四芯光纜(布置于安防區(qū)域周界)長度中點的上側，則突變信息先傳到光耦合器1，再經(jīng)過光電轉換器1和電信號處理模塊把信號傳輸?shù)絋DC1的START引腳；由于路程差的原因突變信號到達光耦合器2的時間要長，經(jīng)過同樣的過程此路信號到達TDC1的STOP引腳，由TDC1讀出時間差tΔ.

圖1 TDC定位方案圖

同理，假如入侵擾動事件發(fā)生在四芯光纜長度中點的下部，此時突變信息先傳到光耦合器2，后傳到光耦器1，再分別經(jīng)過光電轉換器2和轉換器1把信號傳輸光電轉換和電信號處理，先后觸發(fā)TDC2的START而后是STOP引腳，最后得到時間差tΔ的數(shù)字信號[4].

根據(jù)以上的敘述，以四芯光纜長度中點為分界點將光纜看成兩段，發(fā)生在這兩段的入侵擾動事件必然會被其中一只TDC芯片以時間長度的形式獲取定位信息.

定位距離以時間差tΔ的方式體現(xiàn)，tΔ的計算見公式（1）所示，其中L為區(qū)域周界四芯光纜總周長，C為光在真空中的光速，如圖1所示，當距耦合器X米遠處有入侵擾動時，在該處首先觸發(fā)TDC1的START引腳，光經(jīng)過L-X到達STOP引腳.

根據(jù)公式（1）并結合TDC定位方案，獲得定位距離X如公式（2）所示.

2 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)方案設計要求，作者設計了系統(tǒng)硬件.其中主控芯片為DSP,其與TDC之間通過SPI總線交換數(shù)據(jù)；分布式光纖探測系統(tǒng)主要是獲得入侵擾動信號，然后經(jīng)光電轉換并處理后形成脈沖信號；上位機計算機與主控芯片DSP之間采用串口通訊交換數(shù)據(jù).系統(tǒng)硬件構成框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件構成框圖

本項目中TDC模塊主要芯片型號是TDCGP21.TDC-GP21測量時間間隔的原理是電信號在通過邏輯門電路的時存在絕對傳輸時間，根據(jù)絕對傳輸時間以及電信號通過的邏輯門個數(shù)獲得時間間隔的具體值tΔ.TDC的測量原理如圖3所示.

圖3 TDC測量原理圖

本項目采用STC單片機系統(tǒng)板產生模擬入侵信號，即兩個占空比為50%時差為1ms的脈沖信號作為時間數(shù)字轉換器的觸發(fā)信號.利用TDC-GP21模塊獲取兩個脈沖信號的時間差，該時間差值由DSP主控器以SPI接口方式讀取，然后以串口通訊方式將時間差值發(fā)送至上位計算機，由計算機LABVIEW編程計算出入侵地點.其中，STC單片機P1^0接TDC-GP21的START腳，P1^1接TDC-GP21的STOP腳.

本方案中DSP主控器芯片為TMS320F2812，以SPI總線與TDC-GP21芯片相連接.在TMS320F2812中GPIO為共用GPIO，SPI占用的4通道GPIO應設置為特殊I/O，通過寫相應寄存器來完成SPI設置，其中SPISOMI連接TMS320F2812的41引腳，SPICLK連接TMS320F2812的34引腳，SPISIMO連接TMS320F2812的40引腳,SPISTE連接TMS320F2812的34引腳,其接線方式如圖4所示.

圖4 DSP的SPI接口接線示意圖

3 LAbview界面及程序設計

本項目上位機軟件基于Labview開發(fā)實現(xiàn).軟件設計滿足以下要求，實現(xiàn)與下位機DSP主控器芯片串口通訊；獲取下位機入侵信號的時差并通過相關公式計算得到入侵位置并顯示；有入侵擾動報警功能（指示燈表達）；對入侵時間地點（定位）信息收保存于電子表格.

TDC獲取得入侵事件時差及對應的入侵位置采用控件顯示，在前面板建立兩個顯示控件.

VISA串口的配置直接關系到發(fā)生入侵事件的位置信息能否從下位機DSP主控器芯片傳輸至Labview之中.首先我們創(chuàng)建一個VISA讀取函數(shù)，根據(jù)VISA讀取參數(shù)口創(chuàng)建VISA資源名稱輸入以及輸出，再創(chuàng)建VISA串口配置函數(shù)最后分別創(chuàng)建錯誤輸入及錯誤輸出顯示控件方便顯示串口的錯誤，VISA配置串口通訊參數(shù)必須和下位機DSP主控器芯片串口通訊參數(shù)一致.

Labview串口通訊以字符串形式進行，將從下位機的讀取的數(shù)據(jù)由字符串形式轉換為數(shù)組的形式，以方便對數(shù)據(jù)進行處理、顯示和保存.筆者采用字符串轉數(shù)組函數(shù)實現(xiàn)上述轉換.結合下位機程序，提取每幀傳送數(shù)據(jù)中包含TDC時差信息的第四個字節(jié)數(shù)據(jù)，經(jīng)過公式編輯器轉換為入侵定位的距離數(shù)據(jù).

VISA讀取函數(shù)讀取VISA資源數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)一路顯示在錯誤輸出以及VISA資源名稱輸出上；另一路轉到公式函數(shù)之中，計算的出發(fā)生入侵事件位置(距離)，同時進行報警并記錄到電子表格中.

該項目的Labview程序通過平鋪式順序結構來將所有函數(shù)進行整理（如圖5）.

圖5 VISA庫函數(shù)編寫的程序框圖

4 系統(tǒng)部分實驗驗證

因項目經(jīng)費有限，四芯光纜及光電信號轉換模塊未采購，本實驗用單片機的兩個I/O來模擬入侵擾動脈沖信號.使用STC單片機P1^0來模擬入侵信號的START端信號，使用P1^1來模擬入侵信號的STOP端信號.這兩個脈沖信號發(fā)出時間間隔為1ms（如圖6）.

圖6 模擬入侵脈沖信號

實驗系統(tǒng)由上位機LABVIEW程序、TDCGP21模塊、DSP主控芯片模塊、LCD液晶顯示模塊、STC單片機系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、SPI通訊線以及串口通訊線所構成（如圖7）.

圖7 TDC定位實驗裝置

圖8 TDC定位實驗液晶及面板顯示

STC單片機系統(tǒng)I/O發(fā)出的時差信息（模擬擾動事件發(fā)生的位置）由TDC-GP21模塊獲取，該時差數(shù)據(jù)經(jīng)由SPI總線傳給DSP主控芯片模塊，DSP主控芯片模塊經(jīng)由RS232傳輸至上位機Labview程序.假定安防周界所布4芯光纜周長1000kM，Labview程序將通訊數(shù)據(jù)轉換運算后在界面顯示為時差和模擬擾動的位置(距離)數(shù)據(jù)153kM，表示入侵位置距監(jiān)控機房153kM.同時軟件界面還可以配置串口參數(shù)并報警提示入侵事件（如圖8）.由于TDC的時間采樣精度極高，對于時間結果的0.02mS的誤差，應認為主要是STC單片機模擬時差信號誤差所致.

5 結束語

本文提出了提高區(qū)域周界入侵定位精度的方案，并對如何實施該方案進行了詳細論述.搭建了包含時差轉換模塊、DSP主控芯片和上位計算機及其相應程序的入侵定位實驗系統(tǒng)，采用單片機模擬包含入侵位置信息的時差信號，在上位機軟件中得到了精確的入侵事件發(fā)生地點.本文的研究成果為區(qū)域周界光纖安防定位提供了可行的理論方案和相關技術借鑒.