基于各向異性磁阻傳感器的車輛監(jiān)測系統(tǒng)設計

馬 飛，李 娜，呂玉祥

(太原理工大學 理學院，山西 太原 030024)

汽車大都屬于鐵磁構造，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運動速度和方向不同，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)測方法是通過感應線圈式車輛檢測器進行探測，檢測精度高，性能穩(wěn)定，但是探測線圈體積大，安裝維護比較復雜，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、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)設計

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集裝置和顯示裝置兩個獨立部分組成，兩個數(shù)據(jù)采集裝置對應一個顯示裝置。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采集裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，送入MCU進行計算、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)進一步發(fā)送給計算機存儲、處理。

1.1 硬件總體設計

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。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

1.2 HMC1043磁阻傳感器原理及使用

各向異性磁阻傳感器AMR是在強磁場下將鐵鎳合金薄膜沉積在硅襯底上制成，沉積的時候薄膜以長條帶的形式分布。在有電流通過薄膜帶時，施加一個被測磁場B，則磁化強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)。四個這樣的磁阻接成一個惠斯通電橋，位于磁場B相對位置的兩個磁阻阻值增加，另外兩個磁阻的阻值減小，在其線性范圍內，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±6 G，分辨率 120 μG。

圖2 磁阻傳感器原理圖

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

圖3 置位/復位電路圖

1.3 信號處理電路設計

磁阻傳感器輸出的模擬信號最小只有不到0.5 μV，需要放大電路進行放大、濾波，然后輸入A/D轉換電路，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按照指定的算法計算、分析數(shù)據(jù)，計算車速，匹配車型，辨別方向，并把通過時刻、車型、方向、車速一起送入LCD顯示模塊顯示，也可通過相關的接口將數(shù)據(jù)送入計算機存儲。經(jīng)過計算傳感器輸出的模擬信號放大140倍，適合+2.5 V參考電壓的16位精度A/D轉換芯片。運算放大器OPA4376，最大 25 μV偏移電壓、5.5 MHz頻寬、7.5nV/z噪聲密度，引入噪聲很?。恍∮?50μA靜態(tài)電流，+5 V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(12.4 kΩ)和電容C(150 pF)組成截止頻率50 kHz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是一個低功耗、16位精度的模數(shù)轉換芯片，轉換速率 100 kHz，+5 V直流電源供電，參考電壓設置+2.5 V。使用其中三個通道把采集的三路模擬信號轉換為數(shù)字信號，空閑時進入關斷模式，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是增強型51處理器，指令執(zhí)行時間2～4個時鐘周期，選用7.328 MHz外部無源晶振作為時鐘，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個引腳實現(xiàn)編程。系統(tǒng)閑置時自動進入掉電模式，降低功耗。MCU配有存儲模塊、復位電路和時鐘電路。

FM24CL04是 Ramtron公司的一款 4 KB(512B×8)的非易失性存儲器，使用兩線I2C通信協(xié)議，標準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 256 B(一頁)，0xA1尋址后 256 B。P89LPC932A1的SCL、SDA是開漏輸出，這兩條線上各接一個 10 kΩ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。

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。+3.3 V直流電源供電，掉電工作模式下靜態(tài)電流2.5 μA，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)，然后進入發(fā)射/接收模式通過SPI接口與單片機數(shù)據(jù)通信，有CRC校驗。閑置時進入掉電模式，降低系統(tǒng)功耗。

2 系統(tǒng)程序流程圖

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

3 試驗數(shù)據(jù)和軟件計算

圖5是根據(jù)一輛桑塔納轎車正向通過時分別在3 m、10 m遠處測得磁場數(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10 m以內的地方。

圖4 程序流程圖

圖5 不同距離測量的場強曲線圖

3.1 車速計算

從圖5中可以看到，車輛通過傳感器時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)動機通過傳感器的時刻[5]。在相距30 m的同側路邊安裝兩個傳感裝置，CPU分別記錄畸變最大值的時刻，并發(fā)送給接收裝置。兩個時刻時間差值就是發(fā)動機通過30 m距離所用的時間，根據(jù)ν=Δs/Δt，顯示裝置 CPU計算出車輛行駛速度ν。時鐘芯片選用時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，磁場擾動幅值相同，但是正向通過時磁場先減弱然后增強，逆向通過時相反，磁場先增強然后減弱。車輛駛過時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，如圖6所示。計算時濾掉磁場本身的微小波動和遠處車輛的干擾，判斷地磁場增強還是減弱，得出車輛行駛方向。

圖6 汽車正向、逆向通過時場強變化趨勢圖

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[5]，例如面包車通過時，X軸磁場變化頻率低；轎車通過時，X軸磁場變化頻率較高，但是能量集中在第一個波峰和波谷，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。

圖7 轎車和面包車通過時X軸場強曲線圖

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，能準確計算車輛速度、方向并顯示到達時間、車型等信息。設計采用低功耗元件，無工作時自動進入掉電模式進一步降低功耗，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)，實現(xiàn)了較遠距離的監(jiān)控。裝置可安裝在停車場、高速路口、街道旁邊，能實時監(jiān)測車輛信息，方便智能。

[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用[J].北京科技大學學報，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用[J].儀表技術與傳感器，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用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(5)：106-108.

[5]Jose PelegriSebastia， Jorge Alberola Lluch， J.Rafael Lajara Vizcaino.Signalconditioning forGMR magnetic sensors Applied to traffic speed monitoring GMR sensors[J].Sensors and Actuators A， 2007， 137：230-235.