磁阻車輛檢測器的低功耗設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越嚴(yán)重，交通擁堵、交通事故頻發(fā)是影響城市交通安全運(yùn)行的主要因素。利用車輛檢測技術(shù)，對車輛進(jìn)行引導(dǎo)、疏導(dǎo)交通流，合理利用現(xiàn)有的道路資源控制交通流，可有效減少交通擁堵與交通事故的發(fā)生。

車輛檢測器是檢測交通流的主要部件。當(dāng)車輛通過檢測器時，車輛影響地磁場在檢測器周圍的磁力線分布。磁阻車輛檢測器檢測周圍磁場變化，根據(jù)磁場變化檢測車輛的信息。通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，通過車流量信息控制匝道口的開放與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)交通流的控制。車輛檢測器埋于地下，車輛檢測器的使用壽命問題是影響系統(tǒng)推廣的主要因素，因此實(shí)現(xiàn)低功耗、長壽命是實(shí)現(xiàn)車輛檢測器系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用價值的必要條件。

為了延長電池供電系統(tǒng)工作壽命，常見的方法有增加電池容量和降低系統(tǒng)功耗[1]。要增加電池容量就意味著電池體積的增加，導(dǎo)致了傳感器系統(tǒng)體積龐大、安裝不便，不利于工程施工。因此，降低系統(tǒng)功耗是目前國際、國內(nèi)研究的主要方向。常用的解決方案是利用定時喚醒機(jī)制，但喚醒的時間間隔不能過長，否則傳感器不能及時響應(yīng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的發(fā)生。因此不論有無讀取信息需求，系統(tǒng)都要進(jìn)行定時查詢，造成能量消耗，另外定時喚醒需要時鐘電路工作，這意味著MCU不能進(jìn)入徹底休眠狀態(tài)，導(dǎo)致定時喚醒機(jī)制不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果[2]。本文針對這一問題，引入中斷喚醒機(jī)制(休眠降耗法)、降頻降耗方式為節(jié)能提供有效途徑，并對這幾種方法的可行性進(jìn)行分析，同時利用低功耗的ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將系統(tǒng)功率消耗降至最低。ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)傳輸速率、近距離、低成本的雙向無線通信技術(shù)，適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛檢測數(shù)據(jù)傳輸，具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 系統(tǒng)功耗分析

1.1 系統(tǒng)組成

車輛檢測器主要由傳感器、信號調(diào)理、無線數(shù)據(jù)收發(fā)和中央控制器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車輛檢測器埋于路面之下，以磁阻傳感器感應(yīng)車輛通過，產(chǎn)生微弱電壓信號，電壓信號經(jīng)過處理后，轉(zhuǎn)換為微控制器所需的中斷信號，微處理器檢測中斷信號產(chǎn)生時刻t，與車輛通過傳感器兩個不同車軸產(chǎn)生中斷信號的時間間隔Δt，根據(jù)兩個參數(shù)可以計(jì)算出車輛軸距與車速等信息。

1.2 系統(tǒng)消耗功率分析

系統(tǒng)消耗的功率主要集中在信號調(diào)理、微控制器、ZigBee無線收發(fā)三部分，表1為影響系統(tǒng)功耗因素列表。

1.2.1信號調(diào)理

信號調(diào)理模塊的功率消耗主要集中在放大器部分[4]，放大器將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大，根據(jù)信號的波動強(qiáng)度調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使得輸出較為穩(wěn)定。放大級數(shù)越多，工作頻率越高；而工作電流越大，消耗功率越大。因此當(dāng)一級放大可以滿足放大要求時，采用一級放大方式，減少放大級數(shù)；選擇低供電電壓、低噪聲、低輸入偏置電流及低靜態(tài)電流放大器可有效降低放大器功耗。

1.2.2 微控制器

微控制器為系統(tǒng)控制的核心，在不同工作頻率時，消耗的功率不同。數(shù)字電路消耗功率主要包括動態(tài)功率與靜態(tài)功率。靜態(tài)為“0”或“1”的恒定狀態(tài)，即當(dāng)電路狀態(tài)沒有進(jìn)行翻轉(zhuǎn)(保持高電平或低電平)時，電路功耗屬于靜態(tài)功耗；而動態(tài)為“0”“1”的跳變狀態(tài)，即電路翻轉(zhuǎn)狀態(tài)時，產(chǎn)生的功耗為動態(tài)功耗[5]，數(shù)字電路總功耗P如下式所示：

式中：VDD為工作電源電壓；IDD為靜態(tài)時由電源流向電路內(nèi)部的電流；ITC為脈沖電流的時間平均值；f為工作頻率；CL為電路輸出端的負(fù)載電容。

由于工作頻率f、工作電壓VDD及CL對總功耗有較大的影響，因此，要降低電路的功耗，就需要降低工作頻率、降低工作電壓或盡可能使電路處于靜態(tài)工作狀態(tài)。