磁阻車輛檢測(cè)器的低功耗設(shè)計(jì)

周曉慶 ，蔡伯根 ，2，王 劍 ，2，上官偉 ，2

（1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

磁阻車輛檢測(cè)器的低功耗設(shè)計(jì)

周曉慶1，蔡伯根1，2，王 劍1，2，上官偉1，2

（1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

針對(duì)磁阻車輛檢測(cè)器的功耗進(jìn)行分析，采用優(yōu)化休眠降耗法、降頻降耗法兩種低功耗方案，有效降低了檢測(cè)器功率。

休眠降耗法；降頻降耗法；磁阻車輛檢測(cè)器；ZigBee

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(cè)技術(shù)，對(duì)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(cè)器是檢測(cè)交通流的主要部件。當(dāng)車輛通過檢測(cè)器時(shí)，車輛影響地磁場(chǎng)在檢測(cè)器周圍的磁力線分布。磁阻車輛檢測(cè)器檢測(cè)周圍磁場(chǎng)變化，根據(jù)磁場(chǎng)變化檢測(cè)車輛的信息。通過無(wú)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(cè)器埋于地下，車輛檢測(cè)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(zhǎng)壽命是實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè)器系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的必要條件。

為了延長(zhǎng)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(guó)際、國(guó)內(nèi)研究的主要方向。常用的解決方案是利用定時(shí)喚醒機(jī)制，但喚醒的時(shí)間間隔不能過長(zhǎng)，否則傳感器不能及時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的發(fā)生。因此不論有無(wú)讀取信息需求，系統(tǒng)都要進(jìn)行定時(shí)查詢，造成能量消耗，另外定時(shí)喚醒需要時(shí)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(shí)喚醒機(jī)制不能達(dá)到最佳的節(jié)能效果[2]。本文針對(duì)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(duì)這幾種方法的可行性進(jìn)行分析，同時(shí)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(wú)線通信技術(shù)，適合于自動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)傳輸，具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)器主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理、無(wú)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。

圖1 車輛檢測(cè)系統(tǒng)組成

車輛檢測(cè)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(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過處理后，轉(zhuǎn)換為微控制器所需的中斷信號(hào)，微處理器檢測(cè)中斷信號(hào)產(chǎn)生時(shí)刻t，與車輛通過傳感器兩個(gè)不同車軸產(chǎn)生中斷信號(hào)的時(shí)間間隔Δt，根據(jù)兩個(gè)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(hào)調(diào)理、微控制器、ZigBee無(wú)線收發(fā)三部分，表1為影響系統(tǒng)功耗因素列表。

表1 影響系統(tǒng)功耗因素

1.2.1 信號(hào)調(diào)理

信號(hào)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(hào)進(jìn)行放大，根據(jù)信號(hào)的波動(dòng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使得輸出較為穩(wěn)定。放大級(jí)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(jí)放大可以滿足放大要求時(shí)，采用一級(jí)放大方式，減少放大級(jí)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(shí)，消耗的功率不同。數(shù)字電路消耗功率主要包括動(dòng)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(shí)，電路功耗屬于靜態(tài)功耗；而動(dòng)態(tài)為“0”“1”的跳變狀態(tài)，即電路翻轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的功耗為動(dòng)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(shí)由電源流向電路內(nèi)部的電流；ITC為脈沖電流的時(shí)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(duì)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)。

1.2.3 無(wú)線射頻模塊

數(shù)據(jù)傳輸部分是系統(tǒng)主要的能量消耗模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率、發(fā)射功率是影響無(wú)線傳輸模塊的主要因素[6]。發(fā)射功率越大，數(shù)據(jù)傳輸波特率越高，模塊消耗功率就越大。

2 低功耗設(shè)計(jì)

2.1 休眠降耗法

當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)，利用休眠功能，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，中斷的產(chǎn)生會(huì)使MCU退出低功耗模式。在具備中斷情況下，MCU可以在整個(gè)過程中保持睡眠狀態(tài)，只有產(chǎn)生中斷時(shí)才被激活，處理器與無(wú)線射頻在休眠狀態(tài)時(shí)，功耗較低。以MSP430系列單片機(jī)與射頻芯片CC2520為例，休眠功耗大約只有幾微安[7]。

為了確定方案的可行性，對(duì)中斷方式的兩種極端檢測(cè)方式進(jìn)行分析：

（1）誤差計(jì)算

①假設(shè)車輛最高時(shí)速為200 km/h（即55.6 m/s），車長(zhǎng)為2 m，車輛通過傳感器的時(shí)間t=2/55.6=36 ms。MCU與射頻電路由睡眠狀態(tài)喚醒需要的時(shí)間為0.2 ms，誤差為0.2/36=0.56%，誤差較低，如果在軟件中加入校正，此誤差在理論上為零。因此，車輛在高速運(yùn)行狀態(tài)下，中斷啟動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)。

②假設(shè)車速為 30 km/h（即 8.3 m/s），車輛通過傳感器的時(shí)間t=2/8.3=241 ms，MCU與射頻電路由睡眠狀態(tài)喚醒需要的時(shí)間為0.2 ms，誤差為0.2/241=0.09%。因此，誤差很低可以忽略不計(jì)。

由以上分析可知，此方法誤差很小，利用此方式對(duì)系統(tǒng)測(cè)量誤差影響很小，方法可行。

（2）功耗分析

①假設(shè)車速200 km/h，車輛安全間距為 200 m，因此MCU和射頻芯片間歇時(shí)間為200/55.6=3.6 s，而MCU與射頻電路正常工作時(shí)間僅為t=2/55.6=36 ms，采用此方法可以將功率消耗減少到0.036/（3.6+0.036）=1%。降低功耗效果明顯。

②假設(shè)車速為 30 km/h（即 8.3 m/s），安全距離為30 m，處理器與無(wú)線射頻間歇時(shí)間為30/8.3=3.6 s，工作時(shí)間為t=2/8.3=241 ms，則功率消耗降低為0.241/（0.241+3.6）=6.3%。

由以上分析可知，利用MCU與射頻芯片的休眠功能，可以很大程度上降低系統(tǒng)消耗功率，特別是在高速路段，可以將系統(tǒng)消耗功率降低為原來的1%，且即使車輛在低速運(yùn)行過程中，功率也能降低為原來的1/16。

2.2 降頻降耗法

MCU的耗能主要與其工作電壓和工作頻率有關(guān)[8]。MCU消耗功率P與工作電壓和工作頻率的關(guān)系可由如下公式得到：

其中C為系統(tǒng)的負(fù)載電容，V為電源電壓，f為系統(tǒng)工作頻率。由公式可以看出，電源電壓的大小對(duì)系統(tǒng)功耗影響很大（以二次方的形式增加），其次是系統(tǒng)的工作頻率和系統(tǒng)負(fù)載電容。一般系統(tǒng)的負(fù)載電容難以控制，所以，在不影響系統(tǒng)工作性能的情況下，選用較低的工作電壓和工作頻率可以有效地降低系統(tǒng)的功耗。

以MSP430單片機(jī)為例，MSP430系列單片機(jī)具有雙時(shí)鐘的特性，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率為4 kHz、工作電壓為3 V時(shí)，MCU消耗電流最大為32 μA，是系統(tǒng)頻率為1 MHz時(shí)消耗功率（595 μA）的 1/18，功率降低明顯。

可行性分析：傳感器輸出的數(shù)據(jù)波形需要利用波形寬度和波峰位置信息，如果不用A/D也可獲得這兩種信息，可以通過降低MCU主頻來降低功耗。該方法的核心問題是尋找替代A/D的測(cè)量方式。

一般傳感器檢測(cè)到的信號(hào)波形類似于正弦波，波形通過一級(jí)高增益放大器放大波形進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，放大器輸出峰值為3.3 V的類方波，系統(tǒng)省略一級(jí)波形轉(zhuǎn)換電路，利用中斷方式觸發(fā)MCU。當(dāng)放大器輸出電壓值達(dá)到1.8 V時(shí)，MCU將其判斷為高電平，即可觸發(fā)MCU產(chǎn)生中斷，MCU利用測(cè)周期方法測(cè)量類方波的寬度，并計(jì)算出兩個(gè)波峰間距。各個(gè)模塊的信號(hào)波形如圖2所示。

圖2 各個(gè)模塊的信號(hào)波形

假設(shè)車輛最高時(shí)速為 200 km/h（即 55.6 m/s），車身長(zhǎng)為2 m，車輛通過傳感器的時(shí)間為t=2/55.6=36 ms。MCU采用主頻4 kHz運(yùn)行，系統(tǒng)測(cè)量誤差為1/4 000=0.25 ms，因此測(cè)量寬度為36 ms的波形誤差為 0.25/36=0.7%。Δt大約為整個(gè)波形周期的1/20，而此部分可以利用軟件補(bǔ)償，理論上此誤差為零。

2.3 軟件低功耗設(shè)計(jì)

軟件低功耗的設(shè)計(jì)目的就是充分利用應(yīng)用所允許的最深睡眠狀態(tài)，確保芯片盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持在這一狀態(tài)下。軟件協(xié)議降低功耗主要從以下幾個(gè)方面設(shè)計(jì)：（1）構(gòu)建低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；（2）根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)與接入點(diǎn)之間的距離，利用功率控制技術(shù)智能調(diào)節(jié)發(fā)射功率，以降低節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的能量消耗。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

車輛經(jīng)過檢測(cè)器，系統(tǒng)由休眠狀態(tài)喚醒，讀取當(dāng)前時(shí)刻值，測(cè)量?jī)纱沃袛鄬挾?，將信息?shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)父節(jié)點(diǎn)。每次中斷喚醒，系統(tǒng)向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送一幀包含車輛信息的數(shù)據(jù)包，因此，只有在喚醒狀態(tài)下，系統(tǒng)功率消耗才會(huì)增加。通過實(shí)驗(yàn)，得到功耗降低明顯，在10 min測(cè)量時(shí)間內(nèi)，有休眠與無(wú)休眠電流曲線比較圖如圖4所示。

圖4 有休眠和無(wú)休眠電流曲線比較圖

降低系統(tǒng)功耗不但可以節(jié)約能源，而且可以減小硬件體積、延長(zhǎng)硬件使用壽命，因此低功耗設(shè)計(jì)越來越受到人們的重視。低功耗在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)、器件的工藝設(shè)計(jì)等方面具有較明顯的效果。本文分析了車輛檢測(cè)器電路功耗特性，提出了休眠降耗法和降頻降耗法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這兩種方法降低系統(tǒng)功耗明顯，即使在繁忙的工作時(shí)段也能降低70%以上的功耗，從而延長(zhǎng)終端節(jié)點(diǎn)的使用壽命，使系統(tǒng)更具有實(shí)用性。

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Low power design of magnetic vehicle detector

Zhou Xiaoqing1，Cai Baigen1，2，Wang Jian1，2，Shangguan Wei1，2

（1.School of Electronics and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

This paper analyzes the power consumption of the magnetic resistance vehicle detector，proposes two methods to reduce power consumption，which are dormancy reducing power and reducing the frequency to save the power.It reduces the endnode power consumption effectively by using the two methods.

dormancy reducing power；reducing frequency；magnetic vehicle detector；ZigBee

TP302

A

1674-7720（2011）01-0059-04

2010-05-20）

周曉慶，男，1986年生，碩士研究生，主要研究方向：交通信息工程及控制。

蔡伯根，男，1966年生，教授，主要研究方向：GNSS、GIS技術(shù)及其在交通中的應(yīng)用研究、信息融合理論與技術(shù)、慣性導(dǎo)航與定位技術(shù)、智能控制。

王劍，男，1978年生，博士，講師，主要研究方向：基于衛(wèi)星定位技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究。