摘要：針對感應線圈式車輛檢測器的不足，設計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測裝置，能監測車輛的到達時間、類型、方向和車速等基本信息。系統主要由采集系統和顯示系統兩個獨立的部分組成。給出了系統的硬件設計以及程序流程圖，并利用實驗數據繪制曲線圖，表明了設計原理和計算方法正確性。
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，據此可通過檢測磁場擾動的特性，判斷車輛信息及行駛狀態[1-2]。傳統的監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為車輛監測提供了新的手段，磁阻傳感器可檢測動態、靜態的車輛，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的智能車輛監測系統。
1 系統設計
系統主要由數據采集裝置和顯示裝置兩個獨立部分組成，兩個數據采集裝置對應一個顯示裝置。數據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字信號，MCU采集、壓縮數據，將數據通過射頻發射模塊發射。射頻接收模塊接收兩個采集裝置發送的數據，送入MCU進行計算、識別匹配，并控制LCD顯示。通過串口和網口、還可以將接口數據進一步發送給計算機存儲、處理。
1.1 硬件總體設計
數據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±6G，分辨率120μG。
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2.5Ω的鐵磁性電阻，可用7555定時器產生周期時鐘信號，控制IRF7105產生置位/復位脈沖電流，如圖3所示。
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0.5μV，需要放大電路進行放大、濾波，然后輸入A/D轉換電路，再將得到的數字信號送入控制芯片MCU，通過射頻發射模塊發射到接收端。射頻接收端接收到數據后由MCU按照指定的算法計算、分析數據，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據送入計算機存儲。經過計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轉換芯片。運算放大器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靜態電流，+5V單電源供電，有利于系統降低功耗。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是一個低功耗、16位精度的模數轉換芯片，轉換速率100kHz，+5V直流電源供電，參考電壓設置+2.5V。使用其中三個通道把采集的三路模擬信號轉換為數字信號，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。
1.4 MCU控制電路
P89LPC932A1是增強型51處理器，指令執行時間2~4個時鐘周期，選用7.328MHz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，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個引腳實現編程。系統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4KB(512B×8)的非易失性存儲器，使用兩線I2C通信協議，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。
1.5 射頻發射和接收模塊
PTR8000+是基于RF905射頻通信芯片的嵌入式無線通信模塊，接收、發送均可。+3.3V直流電源供電，掉電工作模式下靜態電流2.5μA，通過SPI接口連接到CPU。系統使用了四種工作模式：配置模式、SPI編程模式、發射/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，然后進入發射/接收模式通過SPI接口與單片機數據通信，有CRC校驗。閑置時進入掉電模式，降低系統功耗。
2 系統程序流程圖
系統軟件功能實現由C語言編寫調試，主要實現數據的采集、分析計算以及數據的轉發顯示等功能，主程序流程圖如圖4所示。
3 試驗數據和軟件計算
傳感器采集到X、Y、Z 三維軸方向上的磁場強度，空間磁場強度可通過矢量合成公式求得：
圖5是根據一輛桑塔納轎車正向通過時分別在3m、10m遠處測得磁場數值繪制的曲線圖。隨著距離增加，磁場變化迅速減弱，所以此監測裝置適合安裝在距車輛10m以內的地方。
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生在發動機通過傳感器的時刻[5]。在相距30m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，并發送給接收裝置。兩個時刻時間差值就是發動機通過30m距離所用的時間，根據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。
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據存儲器里，對測得的磁場數據識別、匹配，判斷通過車輛的車型。
此監測裝置靈敏度高，穩定性和可靠性良好，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，可以完全替代傳統的電流線圈的探測模式。測量過程無接觸，通過無線射頻發射模塊發射數據，實現了較遠距離的監控。裝置可安裝在停車場、高速路口、街道旁邊，能實時監測車輛信息，方便智能。
參考文獻
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[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.
