基于各向異性磁阻傳感器的車輛監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：針對感應(yīng)線圈式車輛檢測器的不足，設(shè)計(jì)了一種基于各向異性磁阻傳感器(AMR)的非接觸式智能車輛監(jiān)測裝置，能監(jiān)測車輛的到達(dá)時(shí)間、類型、方向和車速等基本信息。系統(tǒng)主要由采集系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)兩個(gè)獨(dú)立的部分組成。給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及程序流程圖，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線圖，表明了設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法正確性。

　　汽車大都屬于鐵磁構(gòu)造，在地磁場中可以看做雙極性磁鐵，汽車磁場會對地磁場產(chǎn)生擾動，引起地磁場磁力線的畸變。汽車在靜止及行駛時(shí)運(yùn)動速度和方向不同，對地磁場的擾動也不同，據(jù)此可通過檢測磁場擾動的特性，判斷車輛信息及行駛狀態(tài)[1-2]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法是通過感應(yīng)線圈式車輛檢測器進(jìn)行探測，檢測精度高，性能穩(wěn)定，但是探測線圈體積大，安裝維護(hù)比較復(fù)雜，工程量大，且易于損壞。高靈敏度、高精度磁阻傳感器的出現(xiàn)為車輛監(jiān)測提供了新的手段，磁阻傳感器可檢測動態(tài)、靜態(tài)的車輛，對車速估計(jì)、車型分類等都具有較好的效果。本文介紹了一種基于磁阻傳感器HMC1043的智能車輛監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集裝置和顯示裝置兩個(gè)獨(dú)立部分組成，兩個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置對應(yīng)一個(gè)顯示裝置。數(shù)據(jù)采集裝置由傳感器電路采集磁場信號、典型的信號處理電路將磁場信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，MCU采集、壓縮數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過射頻發(fā)射模塊發(fā)射。射頻接收模塊接收兩個(gè)采集裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，送入MCU進(jìn)行計(jì)算、識別匹配，并控制LCD顯示。通過串口和網(wǎng)口、還可以將接口數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)送給計(jì)算機(jī)存儲、處理。

　　1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集裝置和顯示裝置的硬件組成框圖如圖1所示。

　　1.2 HMC1043磁阻傳感器原理及使用

　　各向異性磁阻傳感器AMR是在強(qiáng)磁場下將鐵鎳合金薄膜沉積在硅襯底上制成，沉積的時(shí)候薄膜以長條帶的形式分布。在有電流通過薄膜帶時(shí)，施加一個(gè)被測磁場B，則磁化強(qiáng)度方向與電流方向的夾角θ發(fā)生變化，引起電阻阻值變化(ΔR/R)。四個(gè)這樣的磁阻接成一個(gè)惠斯通電橋，位于磁場B相對位置的兩個(gè)磁阻阻值增加，另外兩個(gè)磁阻的阻值減小，在其線性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比。圖2為磁阻傳感器原理圖[3-4]。HMC1043是霍尼韋爾公司的三軸AMR傳感器，由三個(gè)相互垂直的這種惠斯通電橋組成，能測量空間三維方向的磁場，測量范圍±6G，分辨率120μG。

　　在有強(qiáng)磁場干擾時(shí)，磁阻傳感器的精度和靈敏度下降，利用強(qiáng)脈沖電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場使磁阻的磁疇重新沿著敏感軸方向有序排列，恢復(fù)AMR傳感器的最佳特性[4]。HMC1043的SR+和SR-置位/復(fù)位引腳之間有一個(gè)2.5Ω的鐵磁性電阻，可用7555定時(shí)器產(chǎn)生周期時(shí)鐘信號，控制IRF7105產(chǎn)生置位/復(fù)位脈沖電流，如圖3所示。

　　1.3 信號處理電路設(shè)計(jì)

　　磁阻傳感器輸出的模擬信號最小只有不到0.5μV，需要放大電路進(jìn)行放大、濾波，然后輸入A/D轉(zhuǎn)換電路，再將得到的數(shù)字信號送入控制芯片MCU，通過射頻發(fā)射模塊發(fā)射到接收端。射頻接收端接收到數(shù)據(jù)后由MCU按照指定的算法計(jì)算、分析數(shù)據(jù)，計(jì)算車速，匹配車型，辨別方向，并把通過時(shí)刻、車型、方向、車速一起送入LCD顯示模塊顯示，也可通過相關(guān)的接口將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)存儲。經(jīng)過計(jì)算傳感器輸出的模擬信號放大140倍，適合+2.5V參考電壓的16位精度A/D轉(zhuǎn)換芯片。運(yùn)算放大器OPA4376，最大25μV偏移電壓、5.5MHz頻寬、7.5nV/噪聲密度，引入噪聲很小；小于950μA靜態(tài)電流，+5V單電源供電，有利于系統(tǒng)降低功耗。在放大器的反饋回路接入電阻R(12.4kΩ)和電容C(150pF)組成截止頻率50kHz的低通濾波器，對反饋輸入信號低通濾波，縮小信號帶寬，濾除高頻噪聲。

　　ADS8343是一個(gè)低功耗、16位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速率100kHz，+5V直流電源供電，參考電壓設(shè)置+2.5V。使用其中三個(gè)通道把采集的三路模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，空閑時(shí)進(jìn)入關(guān)斷模式，降低功耗，適用于電池供電的低功耗系統(tǒng)。

　　1.4 MCU控制電路

　　P89LPC932A1是增強(qiáng)型51處理器，指令執(zhí)行時(shí)間2~4個(gè)時(shí)鐘周期，選用7.328MHz外部無源晶振作為時(shí)鐘，適用電壓范圍寬，能工作在低功耗狀態(tài)，又能獲得6倍于普通51處理器的處理速度。+3.3V直流電源供電，使用ICP在電路編程，連接VDD、VSS、P0.5、P0.4、RST，5個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)編程。系統(tǒng)閑置時(shí)自動進(jìn)入掉電模式，降低功耗。MCU配有存儲模塊、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。

　　FM24CL04是Ramtron公司的一款4KB(512B×8)的非易失性存儲器，使用兩線I2C通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)8腳封裝。地址引腳A1、A2接地，其訪問地址是0xA0或者0xA1，其中0xA0尋址前256B(一頁)，0xA1尋址后256B。P89LPC932A1的SCL、SDA是開漏輸出，這兩條線上各接一個(gè)10kΩ上拉電阻，與FM24CL04的SCL、SDA引腳連接。WP與CPU的I/O引腳相連，通過I/O控制芯片的寫保護(hù)。

　　1.5 射頻發(fā)射和接收模塊

　　PTR8000+是基于RF905射頻通信芯片的嵌入式無線通信模塊，接收、發(fā)送均可。+3.3V直流電源供電，掉電工作模式下靜態(tài)電流2.5μA，通過SPI接口連接到CPU。系統(tǒng)使用了四種工作模式：配置模式、SPI編程模式、發(fā)射/接收模式和掉電模式。在配置模式下，CPU通過SPI接口配置PTR8000+工作參數(shù)，然后進(jìn)入發(fā)射/接收模式通過SPI接口與單片機(jī)數(shù)據(jù)通信，有CRC校驗(yàn)。閑置時(shí)進(jìn)入掉電模式，降低系統(tǒng)功耗。

2 系統(tǒng)程序流程圖

　　系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)由C語言編寫調(diào)試，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析計(jì)算以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)顯示等功能，主程序流程圖如圖4所示。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和軟件計(jì)算

　　傳感器采集到X、Y、Z 三維軸方向上的磁場強(qiáng)度，空間磁場強(qiáng)度可通過矢量合成公式求得：

　　圖5是根據(jù)一輛桑塔納轎車正向通過時(shí)分別在3m、10m遠(yuǎn)處測得磁場數(shù)值繪制的曲線圖。隨著距離增加，磁場變化迅速減弱，所以此監(jiān)測裝置適合安裝在距車輛10m以內(nèi)的地方。

　　3.1 車速計(jì)算

　　從圖5中可以看到，車輛通過傳感器時(shí)磁場變化幅度并不總是相同的，地磁場畸變最大處發(fā)生在發(fā)動機(jī)通過傳感器的時(shí)刻[5]。在相距30m的同側(cè)路邊安裝兩個(gè)傳感裝置，CPU分別記錄畸變最大值的時(shí)刻，并發(fā)送給接收裝置。兩個(gè)時(shí)刻時(shí)間差值就是發(fā)動機(jī)通過30m距離所用的時(shí)間，根據(jù)ν=Δs/Δt，顯示裝置CPU計(jì)算出車輛行駛速度ν。時(shí)鐘芯片選用時(shí)間精度百分之一秒的PCF8353，通過CPU的I/O接口控制。

　　3.2 方向判斷

　　車輛分別從正向和逆向通過時(shí)，磁場擾動幅值相同，但是正向通過時(shí)磁場先減弱然后增強(qiáng)，逆向通過時(shí)相反，磁場先增強(qiáng)然后減弱。車輛駛過時(shí)地磁力線向車輛彎曲，如果車輛迎著磁軸方向駛來（逆向），地磁力線向磁軸方向彎曲，磁場增強(qiáng)，如圖6所示。計(jì)算時(shí)濾掉磁場本身的微小波動和遠(yuǎn)處車輛的干擾，判斷地磁場增強(qiáng)還是減弱，得出車輛行駛方向。

　　3.3 車輛類型判斷

　　不同類型的車輛駛過，對地磁場的擾動各有特點(diǎn)[5]，例如面包車通過時(shí)，X軸磁場變化頻率低；轎車通過時(shí)，X軸磁場變化頻率較高，但是能量集中在第一個(gè)波峰和波谷，如圖7所示。將不同類型的磁場擾動模式存放到數(shù)據(jù)存儲器里，對測得的磁場數(shù)據(jù)識別、匹配，判斷通過車輛的車型。

　　此監(jiān)測裝置靈敏度高，穩(wěn)定性和可靠性良好，溫度范圍寬，能準(zhǔn)確計(jì)算車輛速度、方向并顯示到達(dá)時(shí)間、車型等信息。設(shè)計(jì)采用低功耗元件，無工作時(shí)自動進(jìn)入掉電模式進(jìn)一步降低功耗，體積小巧，易安裝，可以完全替代傳統(tǒng)的電流線圈的探測模式。測量過程無接觸，通過無線射頻發(fā)射模塊發(fā)射數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了較遠(yuǎn)距離的監(jiān)控。裝置可安裝在停車場、高速路口、街道旁邊，能實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛信息，方便智能。

參考文獻(xiàn)

　　[1] Moon Ho Kang，Byoung Wook Choi，Kyung Chul Koh，et al. Experimental study of a vehicle detector with an AMR sensor[J]. Sensors and Actuators A，2005，118(2)：278-284.

　　[2] 李希勝，于廣華.各向異性磁阻傳感器在車輛探測中的應(yīng)用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(6)：587-590.

　　[3] 裴軼，虞南方，劉奇，等.各向異性磁阻傳感器的原理及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004(8)：26-27，32.

　　[4] 喬建忠，李艷，文豐.一種各向異性磁阻傳感器在車輛探測中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(5)：106-108.

　　[5] Jose Pelegri Sebastia，Jorge Alberola Lluch，J. Rafael Lajara Vizcaino. Signal conditioning for GMR magnetic sensors Applied to traffic speed monitoring GMR sensors[J]. Sensors and Actuators A，2007，137：230-235.