馬 飛，李 娜，呂玉祥

(太原理工大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030024)

汽車(chē)大都屬于鐵磁構(gòu)造，在地磁場(chǎng)中可以看做雙極性磁鐵，汽車(chē)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，引起地磁場(chǎng)磁力線的畸變。汽車(chē)在靜止及行駛時(shí)運(yùn)動(dòng)速度和方向不同，對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)也不同，據(jù)此可通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)擾動(dòng)的特性，判斷車(chē)輛信息及行駛狀態(tài)[1-2]。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)感應(yīng)線圈式車(chē)輛檢測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，檢測(cè)精度高，性能穩(wěn)定，但是探測(cè)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(chē)輛監(jiān)測(cè)提供了新的手段，磁阻傳感器可檢測(cè)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的車(chē)輛，對(duì)車(chē)速估計(jì)、車(chē)型分類(lèi)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(chē)輛監(jiān)測(cè)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(duì)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(chǎng)信號(hào)、典型的信號(hào)處理電路將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，MCU采集、壓縮數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)別匹配，并控制LCD顯示。通過(guò)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(chǔ)、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。

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(qiáng)磁場(chǎng)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(zhǎng)條帶的形式分布。在有電流通過(guò)薄膜帶時(shí)，施加一個(gè)被測(cè)磁場(chǎng)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(chǎng)B相對(duì)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(cè)磁場(chǎng)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(cè)量空間三維方向的磁場(chǎng)，測(cè)量范圍±6 G，分辨率 120 μG。

圖2 磁阻傳感器原理圖

在有強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)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) 2.5 Ω的鐵磁性電阻，可用7555定時(shí)器產(chǎn)生周期時(shí)鐘信號(hào)，控制IRF7105產(chǎn)生置位/復(fù)位脈沖電流，如圖3所示。

圖3 置位/復(fù)位電路圖

1.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

磁阻傳感器輸出的模擬信號(hào)最小只有不到0.5 μV，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(hào)送入控制芯片MCU，通過(guò)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(chē)速，匹配車(chē)型，辨別方向，并把通過(guò)時(shí)刻、車(chē)型、方向、車(chē)速一起送入LCD顯示模塊顯示，也可通過(guò)相關(guān)的接口將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。經(jīng)過(guò)計(jì)算傳感器輸出的模擬信號(hào)放大140倍，適合+2.5 V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 25 μV偏移電壓、5.5 MHz頻寬、7.5nV/z噪聲密度，引入噪聲很小；小于950μA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(duì)反饋輸入信號(hào)低通濾波，縮小信號(hào)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 100 kHz，+5 V直流電源供電，參考電壓設(shè)置+2.5 V。使用其中三個(gè)通道把采集的三路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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7.328 MHz外部無(wú)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(dòng)進(jìn)入掉電模式，降低功耗。MCU配有存儲(chǔ)模塊、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。

FM24CL04是 Ramtron公司的一款 4 KB(512B×8)的非易失性存儲(chǔ)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(wèn)地址是 0xA0或者0xA1， 其中0xA0尋址前 256 B(一頁(yè))，0xA1尋址后 256 B。P89LPC932A1的SCL、SDA是開(kāi)漏輸出，這兩條線上各接一個(gè) 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(guò)I/O控制芯片的寫(xiě)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(wú)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(guò) 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(guò)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(guò)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(yǔ)言編寫(xiě)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

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

圖4 程序流程圖

圖5 不同距離測(cè)量的場(chǎng)強(qiáng)曲線圖

3.1 車(chē)速計(jì)算

從圖5中可以看到，車(chē)輛通過(guò)傳感器時(shí)磁場(chǎng)變化幅度并不總是相同的，地磁場(chǎng)畸變最大處發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)傳感器的時(shí)刻[5]。在相距30 m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(dòng)機(jī)通過(guò)30 m距離所用的時(shí)間，根據(jù)ν=Δs/Δt，顯示裝置 CPU計(jì)算出車(chē)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(guò)CPU的I/O接口控制。

3.2 方向判斷

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

圖6 汽車(chē)正向、逆向通過(guò)時(shí)場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)圖

3.3 車(chē)輛類(lèi)型判斷

不同類(lèi)型的車(chē)輛駛過(guò)，對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)各有特點(diǎn)[5]，例如面包車(chē)通過(guò)時(shí)，X軸磁場(chǎng)變化頻率低；轎車(chē)通過(guò)時(shí)，X軸磁場(chǎng)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(lèi)型的磁場(chǎng)擾動(dòng)模式存放到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，對(duì)測(cè)得的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)識(shí)別、匹配，判斷通過(guò)車(chē)輛的車(chē)型。

圖7 轎車(chē)和面包車(chē)通過(guò)時(shí)X軸場(chǎng)強(qiáng)曲線圖

此監(jiān)測(cè)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(chē)輛速度、方向并顯示到達(dá)時(shí)間、車(chē)型等信息。設(shè)計(jì)采用低功耗元件，無(wú)工作時(shí)自動(dòng)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(cè)模式。測(cè)量過(guò)程無(wú)接觸，通過(guò)無(wú)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(chē)場(chǎng)、高速路口、街道旁邊，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛信息，方便智能。

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