基于巨磁電阻的車位檢測(cè)技術(shù)研究

馬榮貴 侯 斌

（長安大學(xué)信息工程學(xué)院 西安710064）

0 引 言

隨著汽車保有量的增加，停車管理成為智能交通研究的1個(gè)重要領(lǐng)域，車位檢測(cè)則是停車智能化管理的重要組成部分。當(dāng)前有很多對(duì)停車位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的方案，如地感線圈車位檢測(cè)［1］、視頻車位檢測(cè)［2］、超聲波車位檢測(cè)［3］等，其中地感線圈的優(yōu)點(diǎn)是：穩(wěn)定可靠、價(jià)格低廉、抗干擾能力較強(qiáng)，但是缺點(diǎn)也比較明顯：埋設(shè)地感線圈時(shí)，為了提高檢測(cè)的精確度和可靠性，需對(duì)地面進(jìn)行大面積的切割，這樣對(duì)地面的破壞比較大，并且地感線圈檢測(cè)周期較長；視頻車位檢測(cè)的技術(shù)到目前為止發(fā)展還不是特別成熟，容易受到天氣和環(huán)境因素的制約，并且檢測(cè)設(shè)備也相對(duì)昂貴；超聲波檢測(cè)中超聲波傳感器具價(jià)格比較低廉、檢測(cè)精度較高等優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)在于容易受溫度變化的影響以及安裝和架設(shè)受到的諸多限制。以上這些方案都無法適用于大型停車場(chǎng)車位檢測(cè)的要求［4］。通過研究后筆者提出了1種基于巨磁電阻的車位檢測(cè)的解決方案，試驗(yàn)結(jié)果表明這種車位檢測(cè)解決方案擁有更高精度和更強(qiáng)穩(wěn)定性。

1 基于巨磁技術(shù)的車位檢測(cè)原理

巨磁電阻（giant magnetic resistance，GMR）現(xiàn)象由法國科學(xué)家的阿貝爾·費(fèi)爾和德國的彼得·格林貝爾因發(fā)現(xiàn)。巨磁電阻就是電磁阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)發(fā)生較為明顯變化的電阻。巨磁電阻是通過薄膜加工技術(shù)在硅片上蒸涂坡莫合金Fe20Ni80薄膜制成的，巨磁電阻效應(yīng)是1種量子力學(xué)效應(yīng)，該效應(yīng)產(chǎn)生于由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻；反之，載流子與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。

沿坡莫合金合金帶的長度方向施加1個(gè)電流，在垂直于電流的方向施加1個(gè)磁場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致兩端合金帶的內(nèi)磁化方向朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，合金帶的阻值發(fā)生變化，變化值取決于內(nèi)外磁場(chǎng)合成的磁化方向與電流流向的夾角θ，見圖1。

圖1 巨磁材料的構(gòu)造Fig.1 Structure of the giant magnetic materials

地球是1個(gè)天然磁體，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B為5 ×10－2mT，方向由地磁南極指向地磁北極，并近似與水平面基本保持平行。因此，當(dāng)材料的敏感軸與水平面保持垂直狀態(tài)時(shí)，其與地磁場(chǎng)夾角近似為90°，此時(shí)地磁場(chǎng)對(duì)巨磁電阻產(chǎn)生的影響最小，即式（1）。

式中：θ為磁場(chǎng)與巨磁電阻敏感軸夾角，R1，R2分別為電流方向與磁場(chǎng)方向垂直和平行時(shí)坡莫合金的電阻率。

而當(dāng)車輛經(jīng)過巨磁材料附近時(shí)，車體所攜帶的鐵磁介質(zhì)將擾亂周圍固有的環(huán)境磁場(chǎng)，見圖2。此時(shí)，地磁場(chǎng)不再與巨磁電阻敏感軸保持垂直，這必將影響到巨磁電阻的阻值變化，如果能夠精確測(cè)量到這一變化量，那么就可以據(jù)此判斷出車輛的存在與否。

圖2 鐵磁介質(zhì)對(duì)地磁場(chǎng)擾動(dòng)示意圖Fig 2 Ferromagnetic medium on geomagnetic disturbances schematic

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)基于巨磁傳感器［5］的采集電路，對(duì)巨磁電阻信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、采集，計(jì)算得到最終結(jié)果。同時(shí)依據(jù)巨磁電阻的特點(diǎn)，還要設(shè)計(jì)巨磁電阻的置位、復(fù)位電路，與上位機(jī)通信電路等。結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 基于巨磁傳感器的車位檢測(cè)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Parking detection structure diagram based on the giant magnetic sensor

2.1 基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)模塊主要是由：微控制模塊、信號(hào)放大模塊和無線通信模塊等組成的。每個(gè)模塊在整個(gè)系統(tǒng)硬件中完成著不同的功能特性。

微控制器模塊負(fù)責(zé)整個(gè)傳感器的功能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用的是ATMEL公司AVR系列單片機(jī)。AVR單片機(jī)內(nèi)部有多種系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，這些信號(hào)相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，用戶可根據(jù)需要通過軟件手段設(shè)置，來禁止無用時(shí)鐘運(yùn)行，從而達(dá)到降低功耗、去除噪聲等功能。同時(shí)還集成了AD轉(zhuǎn)換和串口通信等功能。

圖像的不變距對(duì)于圖像的平移、尺度變化、鏡像和旋轉(zhuǎn)不變。低階矩主要描述目標(biāo)的整體特征，如面積、主軸、方向角等；高階矩主要描述圖像的細(xì)節(jié)，如扭曲度、峰態(tài)等[9]。

信號(hào)放大模塊主要由精密運(yùn)算放大器AD620構(gòu)成，AD620是1種低成本、高精度并且具有較好的直流特性和交流特性的放大器，并且可由1個(gè)外部可變電阻在在1～1 000倍的放大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。信號(hào)通過信號(hào)放大模塊完成多級(jí)放大的輸出。

無線通信模塊備選的方案有多種，常用有線通信方式有：RS－232、RS－485，USB總線，I2C，單總線，CAN總線，Profibus，Lonworks等；常用無線通信方式有：紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA，藍(lán)牙，Wi－Fi，Zigbee，GPRS，CDMA，超帶寬通信UWB、近場(chǎng)通信NFC等。針對(duì)戶外停車場(chǎng)設(shè)計(jì)，減小停車場(chǎng)對(duì)路面造成損壞，不考慮有線通信通信方式。根據(jù)傳輸距離、環(huán)境條件、傳輸速率、設(shè)備成本、抗干擾性等各方面因素綜合考慮選擇適合的通信方式。如表1所列，幾種短距離無線通信方式的比較。

表1 幾種短距離無線通信技術(shù)比較Tab.1 Comparison of several short－range wireless communications technologies

由表1可見，Zigbee［6］通信方式支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)高達(dá)65 000個(gè)，可以進(jìn)行大規(guī)模組網(wǎng)，而其他幾種方式當(dāng)中Wi－Fi支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)目是最多，但是也只能支持30個(gè)節(jié)點(diǎn)。停車場(chǎng)傳感器與停車位一般都是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，停車位數(shù)目一般都大于30，所以其他的幾種通信方式無法達(dá)到這個(gè)要求，這是選擇Zigbee通信方式最重要的原因之一。與此同時(shí)Zigbee還具有功耗小、工作在全球免費(fèi)的2.4GHz頻段以及通過路由器的中繼方式能夠延長通信距離等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)選擇Zigbee通信方式組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來傳輸信息。

2.2 巨磁電阻及其外圍電路設(shè)計(jì)

巨磁電阻采用的是霍尼韋爾公司生產(chǎn)的HMC1021系列［6］，其檢測(cè)精度可達(dá)到8.5×10－3uT，遠(yuǎn)低于地磁感應(yīng)強(qiáng)度5×10－2mT，在±6× 10－1mT磁場(chǎng)范圍內(nèi)，具有良好的線性度，非常適合于檢測(cè)地磁場(chǎng)強(qiáng)度。HMC1021的內(nèi)部復(fù)位電路本質(zhì)上是1個(gè)低阻值的電阻帶，它緊貼坡莫合金帶，當(dāng)強(qiáng)電流通過時(shí)，該電阻帶周圍產(chǎn)生較強(qiáng)磁場(chǎng)，以激勵(lì)坡莫合金材料內(nèi)部原子順序排列［7］。該電阻帶內(nèi)阻典型值為7.7Ω，如果產(chǎn)生大于0.5 A的電流，則需要使其分壓4V左右。由于其阻值非常小，而其要求的驅(qū)動(dòng)時(shí)間非常短暫，大約2 μs，采用直接電源驅(qū)動(dòng)的方式有一定風(fēng)險(xiǎn)性，因此，設(shè)計(jì)中采用電容充放電方式驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)沒有提供片上的置位復(fù)位脈沖產(chǎn)生電路，因此需要用戶專門設(shè)計(jì)，以便對(duì)巨磁電阻進(jìn)行置位／復(fù)位操作。

選用IRF7015作為場(chǎng)效應(yīng)管，它內(nèi)部集成了1個(gè)N溝道管和1個(gè)P溝道管，工作電壓為20 V，較低電壓下即能有效打開，其特性曲線見圖4。

圖4 IRF7105場(chǎng)效應(yīng)管電壓－電流特性曲線Fig.4 IRF7105FET voltage－current characteristic curve

由于IRF7105適合工作于10～20V的源－漏電壓范圍，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明在采用5V供電的電容充放電過程中，置位／復(fù)位脈沖超過4V的部分寬度不足，這是由于以下2點(diǎn)造成：

1）電容自身特性。

2）電阻帶阻值較低，而場(chǎng)效應(yīng)管IRF7105在5V電平下并不能達(dá)到完全飽和，因此分壓較為明顯。

解決方法是增大電容以緩和充放電曲線坡度；同時(shí)提高系統(tǒng)供電電壓至12V，以拉高脈沖峰值，并使場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)阻進(jìn)一步降低，這樣可以有效的延長脈沖超過4V的部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

然而場(chǎng)效應(yīng)管是1個(gè)壓控開關(guān)，其導(dǎo)通和截止受控于Gate端和襯底之間的電壓差，小于其電壓閾值則場(chǎng)效應(yīng)管截止，大于其閾值時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管打開。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)IRF7105工作在源極－漏極電壓為12V時(shí)，其閾值為4V左右，即Gate端與襯底壓差超過4V即可打開場(chǎng)效應(yīng)管。但由于單片機(jī)控制端采用TTL電平，如直接控制工作在12V電壓下的P溝道場(chǎng)效應(yīng)管M3，當(dāng)控制端處于最高電壓5 V時(shí)，其與12V的襯底電壓之間壓差仍有7V，這就意味著場(chǎng)效應(yīng)管M3永遠(yuǎn)不能關(guān)斷。但同時(shí)5V的電壓卻可以使N溝道場(chǎng)效應(yīng)管M2不飽和打開，從而造成系統(tǒng)短路。因此在系統(tǒng)中采用1個(gè)N溝道場(chǎng)效應(yīng)管M1，對(duì)TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以使控制端高電平可以達(dá)到與源電壓相同的12V，從而避免短路狀態(tài)的出現(xiàn)。由于場(chǎng)效應(yīng)管的Gate端與襯底之間的電容特性較為明顯，在驅(qū)動(dòng)輸入過程中，等效于電容充放電，這時(shí)如果電平轉(zhuǎn)換的電路的輸出不足，會(huì)造成Gate端上升沿緩慢。

圖5 HMC1021置位脈沖特性Fig.5 HMC1021set pulse characteristics

當(dāng)控制端電壓介于4～8V時(shí)，會(huì)使M2與M3之間的空載電路短時(shí)間內(nèi)短路，雖然由于時(shí)間短暫并不會(huì)造成危險(xiǎn)，但卻會(huì)使充電電容C1所存儲(chǔ)的電勢(shì)通過M3通路快速泄露。如果這一過程持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長，那么電容C2即不能得到有效充電，從而影響置位脈沖的強(qiáng)度，不能達(dá)到有效置位的目的。因此應(yīng)盡量縮短Gate端充電時(shí)間，這就需要適當(dāng)加大電平轉(zhuǎn)換電路輸出端的驅(qū)動(dòng)能力。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)限流電阻R＝500Ω時(shí)，上升沿周期能控制在2μs以內(nèi)，可以滿足系統(tǒng)要求，脈沖特性曲線見圖6。

圖6 HMC1201置位／復(fù)位脈沖特性曲線Fig.6 HMC1201set／reset pulse characteristic curve

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分所要完成的功能就是采集巨磁電阻輸出端的電壓信號(hào)［9］，加以分析處理成車位狀態(tài)信息，并通過無線通信模塊進(jìn)行傳輸。對(duì)于傳感器來說，AD轉(zhuǎn)換和置位／復(fù)位控制是軟件的核心部分，微控制器只需每0.1s對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行1次定時(shí)采樣即可，這就需要1個(gè)定時(shí)器提供時(shí)序。傳感器通過Zigbee與上位機(jī)進(jìn)行通信，反饋車位信息。所以其軟件功能模塊應(yīng)包括系統(tǒng)初始化、定時(shí)／計(jì)數(shù)器函數(shù)、信號(hào)采集函數(shù)和無線通信函數(shù)等，系統(tǒng)軟件流程見圖7。

1）主程序?qū)DC、USART、定時(shí)器進(jìn)行初始化，對(duì)系統(tǒng)工作模式、工作頻率、端口狀態(tài)和全局變量進(jìn)行設(shè)定，然后循環(huán)判斷定時(shí)器是否溢出。

2）定時(shí)器根據(jù)初始化參數(shù)進(jìn)行循環(huán)計(jì)時(shí)，如果定時(shí)器溢出，則進(jìn)入定時(shí)器中斷處理函數(shù)，置位定時(shí)器溢出信號(hào)量，以通知主函數(shù)開始1次信號(hào)采集。

3）為了消除環(huán)境磁場(chǎng)的影響，確保傳感器的敏感度，每1次信號(hào)采集需要進(jìn)行置位和復(fù)位狀態(tài)下的2次AD，最終結(jié)果由這兩次AD的結(jié)果計(jì)算產(chǎn)生。因此在定時(shí)器溢出后，主程序進(jìn)入信號(hào)采集模塊，對(duì)傳感器進(jìn)行置位／復(fù)位操作，并控制ADC進(jìn)行同步的信號(hào)采集，得出最終結(jié)果。

4）ADC工作在中斷模式下，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后即進(jìn)入ADC中斷處理函數(shù)，函數(shù)保存轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后設(shè)置轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)量，通知主程序進(jìn)行處理，并退出中斷。

5）當(dāng)USART收到主機(jī)輪詢信號(hào)時(shí)，立即將當(dāng)前的車位狀態(tài)信息通過無線發(fā)送出去，并返回。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.7 Software flow sensor

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

檢測(cè)器測(cè)試場(chǎng)所選擇了1個(gè)室外的公共停車場(chǎng)并安裝了巨磁的車位傳感器，測(cè)試車輛選用了一般的家用轎車，以保證測(cè)試結(jié)果不失一般性。在實(shí)驗(yàn)過程中巨磁車位傳感器的微控制器的信號(hào)輸出與示波器連接，實(shí)時(shí)采集和顯示傳感器中信號(hào)的變化。首先用示波器觀察傳感器的運(yùn)放輸出和控制脈沖，其中示波器輸入端1為微控制器發(fā)出的控制脈沖信號(hào)，輸入端2為傳感器放大輸出信號(hào)，時(shí)間窗大小調(diào)整為6s，以保證能觀察到1個(gè)完整的停車過程，示波器測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 停車過程中傳感器電壓輸出波形Fig.8 Sensor voltage output waveform during parking

可以看到，在0～1s時(shí)間段，處于無車狀態(tài)，示波器輸入端2的輸入電壓保持在2V左右；在時(shí)間段1～2s之間隨著車輛駛?cè)?，示波器輸入端電壓逐步升高?V左右；車輛停留3s后開始駛離停車區(qū)，示波器輸入電壓逐步回落至2V左右。由于傳感器采集的電橋信號(hào)為差分信號(hào)，在放大至0～5V后，其電中位在2.5V左右，由環(huán)境磁場(chǎng)的影響造成約－0.5V的偏差，因此無車狀態(tài)的輸出信號(hào)為2V左右。在車輛駛?cè)脒^程中，磁場(chǎng)受磁體擾動(dòng)，平直磁場(chǎng)發(fā)生扭曲，與巨磁電阻的敏感軸夾角產(chǎn)生變化，反應(yīng)在示波器上即為電壓的逐漸變化。

在實(shí)際的通信實(shí)驗(yàn)中，令傳感器通過無線通信向上位機(jī)發(fā)送采集到的電壓信號(hào)，并通過計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行采集，繪制狀態(tài)曲線，結(jié)果見圖9。

圖9 上位機(jī)接收到的傳感器狀態(tài)曲線Fig.9 PC receiving the sensor state curves

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，基于巨磁的車位傳感器清晰的反映了車位狀況，在汽車駛?cè)搿⑼７藕婉偝鰝鞲衅饔忻黠@的變化，但是由于受到環(huán)境磁場(chǎng)影響，傳感器基準(zhǔn)值會(huì)發(fā)生一定程度上的發(fā)生偏移，因此要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的磁場(chǎng)強(qiáng)度來動(dòng)態(tài)的設(shè)定傳感器的電壓閾值，從而使得車位檢測(cè)達(dá)到了檢測(cè)精確性和穩(wěn)定性的要求。

5 結(jié)束語

筆者提出了1種基于巨磁電阻技術(shù)的戶外車位檢測(cè)方案，并完成了硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過車位檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用后相較于地感線圈車位檢測(cè)、視頻車位檢測(cè)、超聲波車位檢測(cè)等技術(shù)方案，本方案無論在設(shè)備安裝、檢測(cè)精確性以及長期應(yīng)用的穩(wěn)定性上都有一定的優(yōu)勢(shì)，所以基于巨磁電阻的車位檢測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用和技術(shù)發(fā)展方面都會(huì)有很大的空間。

［1］ 毛朔南，林仲揚(yáng).機(jī)動(dòng)車地感線圈式測(cè)速系統(tǒng)使用中應(yīng)注意的幾個(gè)問題［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2012（5）：53－55.

［2］ 蔣大林.視頻車位檢測(cè)器［J］.智能建筑與城市信息，2006（1）：36－38.

［3］ 趙亞妮，高 輝.基于超聲波的車輛檢測(cè)器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（10）：2542－2544.

［4］ 周嗣恩，韓鳳春.智能化停車場(chǎng)管理體系研究［J］.中國人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008（1）：87－89.

［5］ 眾 欣.巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和對(duì)磁存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)［J］.記錄媒體技術(shù)，2008（3）：54－56.

［6］ Honeywell company.1－and 2－Axis Magnetic Sensors HMC1021／1022［EB／OL］，（2009－9－19）［2013－4－23］.http：／／honeywell sensor.com.2013.

［7］ 鄒紅玉.用巨磁電阻式位置傳感器測(cè)量材料的楊氏模量［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（4）：105－107.

［8］ 呂 鑫，王 忠.ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（4）：332－335.

［9］ 梁子君，宋志洪.基于無線地磁的交通信號(hào)控制策略研究［J］.交通信息與安全，2012（2）：41－45.