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[導(dǎo)讀]利用環(huán)形線圈、MSP430F1121A單片機(jī)與輸出接口,組成低功耗行駛車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng),并能根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的靈敏度、工作方式、輸出方式進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)與信號(hào)輸出。 還應(yīng)用軟件動(dòng)態(tài)刷新基準(zhǔn)的方法提高了檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)

利用環(huán)形線圈、MSP430F1121A單片機(jī)與輸出接口,組成低功耗行駛車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng),并能根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的靈敏度、工作方式、輸出方式進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)與信號(hào)輸出。

      還應(yīng)用軟件動(dòng)態(tài)刷新基準(zhǔn)的方法提高了檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)表明:該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。

      引言

      近年來(lái),車(chē)輛檢測(cè)器作為交通信息采集的重要前端部分,越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。鑒于公路交通現(xiàn)代化管理和城市交通現(xiàn)代化管理的發(fā)展需要,對(duì)于行駛車(chē)輛的動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)——車(chē)輛檢測(cè)器的研制在國(guó)內(nèi)外均已引起較大重視。車(chē)輛檢測(cè)器以機(jī)動(dòng)車(chē)輛為檢測(cè)目標(biāo),檢測(cè)車(chē)輛的通過(guò)或存在狀況,其作用是為智能交通控制系統(tǒng)提供足夠的信息以便進(jìn)行最優(yōu)的控制。

      目前,常用的行駛車(chē)輛檢測(cè)器主要有磁感應(yīng)式檢測(cè)器,超聲波式檢測(cè)器,壓力開(kāi)關(guān)檢測(cè)器,雷達(dá)檢測(cè)器,光電檢測(cè)器以及視頻檢測(cè)器等,而環(huán)形線圈電磁感應(yīng)式車(chē)輛檢測(cè)器具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)電路易于實(shí)現(xiàn)、成本低、維護(hù)量少、適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn),市場(chǎng)應(yīng)用范圍最廣。目前我國(guó)實(shí)際用于高速公路和城市道路的車(chē)輛檢測(cè)器幾乎全部是從國(guó)外進(jìn)口的,國(guó)產(chǎn)車(chē)輛檢測(cè)器存在著諸多問(wèn)題,如誤檢率高、靈敏度低、長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性差等。

      在大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,本文提出一種新的解決方案,將穩(wěn)定性、靈敏性、高速性融為一體,解決了以上所述的諸多問(wèn)題。

      1 工作原理

      本系統(tǒng)采用MSP430F1121A單片機(jī)與環(huán)形線圈相結(jié)合的方法對(duì)行駛車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè),是一種基于電磁感應(yīng)原理的檢測(cè)器。傳感器線圈為通過(guò)有一定電流的環(huán)形線圈,當(dāng)被檢測(cè)鐵質(zhì)物體通過(guò)線圈切割磁力線,引起線圈回路電感量的變化,檢測(cè)器通過(guò)檢測(cè)該電感變化量就可以檢測(cè)出被測(cè)物體的存在。本文利用由環(huán)形線圈構(gòu)成回路的耦合電路對(duì)其振蕩頻率進(jìn)行檢測(cè)。但線圈檢測(cè)易受車(chē)輛、濕度、溫度等外界環(huán)境的影響,基準(zhǔn)頻率會(huì)產(chǎn)生漂移,從而影響檢測(cè)效果。同時(shí),由于車(chē)型、車(chē)體、車(chē)速的不同,亦會(huì)影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。針對(duì)這些情況,本文提出了一種軟件動(dòng)態(tài)刷新檢測(cè)基準(zhǔn)的方法,以及抗干擾的軟件數(shù)字濾波方法,充分利用MSP430 系列單片機(jī)的片上資源對(duì)線圈頻率進(jìn)行檢測(cè),有效提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性。

      2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

      2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      系統(tǒng)以MSP430F1121A單片機(jī)為核心,由環(huán)形線圈傳感器模塊、LC振蕩電路、整形電路、頻率選擇模塊、電源模塊、電壓監(jiān)測(cè)模塊、工作方式設(shè)置模塊、信號(hào)輸出模塊及JTAG等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如1 所示。

      2.2 各模塊原理及硬件實(shí)現(xiàn)

      環(huán)形線圈傳感器是一只埋在路面下的矩形線圈,其兩端引線接車(chē)輛檢測(cè)器。環(huán)形線圈的作用相當(dāng)于LC振蕩回路中的電感L,當(dāng)有金屬物體靠近時(shí),其電感量發(fā)生變化,從而引起振蕩頻率的改變。通過(guò)對(duì)頻率的檢測(cè)、比較,可以判斷車(chē)輛的駛?cè)牖蝰偝觥S伤M成的LC振蕩電路與整形電路一起構(gòu)成了信號(hào)輸入電路,如圖2所示。

      環(huán)行線圈與行駛車(chē)輛之間是通過(guò)電磁場(chǎng)進(jìn)行耦合的。當(dāng)車(chē)通過(guò)環(huán)形線圈并處在一定的位置時(shí),在車(chē)體中引起的渦流是一定,而渦流對(duì)環(huán)形線圈的影響也是一定的,車(chē)輛與環(huán)形線圈之間存在著一定的互感。于是,我們把車(chē)輛看作具有電感L1和電阻R1的短路環(huán),它通過(guò)互感M與環(huán)形線圈相交鏈。環(huán)形線圈由振蕩電路提供,電感為L(zhǎng)2,電阻為R2。則可推之等效電感為:

   (1)

      其中第一項(xiàng)L2的變化幅度與車(chē)輛的導(dǎo)磁率有關(guān),第二項(xiàng)與電渦流效應(yīng)有關(guān)。若工作頻率選擇適當(dāng),當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)環(huán)形線圈時(shí),(1)式第一項(xiàng)的變化量將小于第二項(xiàng),即等效電感減小。而LC振蕩器的振蕩頻率為:

 (2)

      顯然,當(dāng)車(chē)輛通過(guò)環(huán)形線圈時(shí),L變小,則f增大,通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)電路測(cè)得其頻率的變化,從而可判斷有無(wú)車(chē)輛通過(guò)。

電路中由三極管Q1和Q2組成共射極振蕩器,電阻R3是兩只三極管的公共射極電阻,并構(gòu)成正反饋。Tl為磁罐變壓器,起著阻抗變換和與外電路隔離的雙重作用。其繞組Ll通過(guò)引線外接環(huán)形線圈,環(huán)形線圈的感抗通過(guò)Tl反射到繞組L2,形成等效電感L,L與并聯(lián)的電容Cl形成振蕩回路,LC值決定了振蕩頻率。開(kāi)關(guān)Sl閉合時(shí),電容C2與Cl并聯(lián),電容量增加,振蕩頻率降低,由此來(lái)設(shè)置高低兩種振蕩頻率是考慮到現(xiàn)場(chǎng)的不同情況,以便取得較好的檢測(cè)效果。LC振蕩電路輸出的是帶毛刺的正弦波,不適合單片機(jī)做數(shù)字化處理,因此需要單向穩(wěn)壓二極管和單門(mén)限電壓比較器將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)輸出。

      由于不同應(yīng)用場(chǎng)合中,LC振蕩電路的振蕩頻率不近相同,故輸出的方波信號(hào)通過(guò)一計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻,再由頻率選擇接口送入單片機(jī)的P2.5口,從而避免了單片機(jī)的計(jì)數(shù)溢出,增強(qiáng)了單片機(jī)對(duì)信號(hào)處理的靈活性。

      MSP430F1121A單片機(jī)為16位RISC指令結(jié)構(gòu);內(nèi)置4kBFlash和256BRAM;一個(gè)l6位定時(shí)器Timer-A和看門(mén)狗定時(shí)器;一個(gè)具有3種內(nèi)部參考電平和輸出帶RC濾波的比較器等。[3-4]

      本文應(yīng)用MSP430F1121A的P2.5口的外部管腳中斷以及Timer-A定時(shí)中斷相配合,定時(shí)采集數(shù)據(jù)得出當(dāng)前頻率,并根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的靈敏度與工作方式要求,再與基準(zhǔn)頻率比較,從而判斷是否有車(chē)輛到來(lái),最后根據(jù)設(shè)定的輸出方式向外輸出信號(hào)。

      電源模塊由AS1117芯片完成5V轉(zhuǎn)3.3V。為單片機(jī)、LC振蕩電路、信號(hào)輸出模塊、JTAG等模塊供電。

      電壓監(jiān)測(cè)模塊用來(lái)監(jiān)測(cè)5V電源電壓。其原理是將5V電壓分壓后與MSP430 單片機(jī)的P2.2口比較器Comparator-A 輸入腳相連。當(dāng)電源電壓低于設(shè)定電壓時(shí),將啟動(dòng)電源電壓不足報(bào)警功能。

      工作方式設(shè)置模塊是通過(guò)撥碼盤(pán)設(shè)置單片機(jī)代表靈敏度、工作方式、輸出方式等相應(yīng)管腳的輸入電平,再由單片機(jī)進(jìn)行鍵值查詢(xún),從而完成相應(yīng)處理程序。

      3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

      3.1 軟件程序設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì),充分發(fā)揮了MSP430單片機(jī)豐富的片內(nèi)外圍模塊的特點(diǎn),使儀器的硬件電路大大簡(jiǎn)化。全部程序采用C 語(yǔ)言編寫(xiě),易于調(diào)試和維護(hù),且具有運(yùn)行速度快、執(zhí)行效率高、便于移植。

      系統(tǒng)軟件由主程序,3個(gè)初始化子程序,10個(gè)功能子程序組成。3個(gè)初始化子程序分別是:?jiǎn)纹瑱C(jī)時(shí)鐘初始化子程序、單片機(jī)I/O端口初始化子程序、定時(shí)器A 初始化子程序。10 個(gè)功能子程序分別是:初次測(cè)基頻子程序、車(chē)輛檢測(cè)子程序、電壓不足報(bào)警子程序、判鍵子程序、查鍵子程序、延時(shí)子程序、動(dòng)態(tài)刷新基頻子程序、P2.5口中斷子程序、定時(shí)中斷處理子程序和信號(hào)輸出子程序。主程序流程圖如圖3 所示。

      主程序中設(shè)置了一個(gè)定時(shí)器,在無(wú)車(chē)通過(guò)的情況下,開(kāi)機(jī)后定時(shí)時(shí)間到觸發(fā)定時(shí)中斷服務(wù)程序,多次讀取當(dāng)前P2.5端口中斷計(jì)數(shù)值后取平均值,從而獲取當(dāng)前頻率值。并將此頻率值設(shè)置為基準(zhǔn)頻率,并將第一次測(cè)頻標(biāo)志置位,此標(biāo)志只有在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)才能被清零。此后,通過(guò)判鍵子程序、查鍵子程序確定此時(shí)系統(tǒng)工作的靈敏度值、工作方式和輸出方式。

      由于車(chē)型、車(chē)體、車(chē)速的不同,會(huì)對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性帶來(lái)一定的影響。同時(shí)耦合電路的振蕩頻率隨溫度、濕度等外界素變化比較大,如果設(shè)置一個(gè)固定的基準(zhǔn)值可能會(huì)造成誤判而影響設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性。因此,本文在不影響檢測(cè)速度的前提下,在判斷車(chē)輛是否進(jìn)入時(shí),采用限幅濾波與均值濾波進(jìn)行當(dāng)前頻率的采集,其程序流程圖如圖4所示。

      限幅濾波可以克服輸入中竄入尖脈沖干擾,其基本思想是將獲得的多個(gè)當(dāng)前頻率值與當(dāng)前基準(zhǔn)頻率值分別進(jìn)行比較,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定允許的最大偏差,如果當(dāng)前頻率值和當(dāng)前基準(zhǔn)頻率值的差值超過(guò)了允許的最大偏差,則認(rèn)為本次采樣值中竄入了干擾,則拋棄干擾值,再將余下的多個(gè)當(dāng)前頻率值取平均值。

將采集到的頻率值與當(dāng)前基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較,其差值如果大于當(dāng)前基準(zhǔn)頻率與靈敏度值的乘積,則認(rèn)為有車(chē)輛進(jìn)入,再進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的輸出。如果判斷無(wú)車(chē)輛進(jìn)入,則將當(dāng)前采集到的頻率值與當(dāng)前基準(zhǔn)頻率加權(quán)平均后作為下一次測(cè)量的基準(zhǔn)頻率,從而實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)頻率的刷新。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      本車(chē)輛檢測(cè)器具有電路簡(jiǎn)單、精度高、體積小、響應(yīng)時(shí)間短、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),已在浙江某公路卡口使用,效果良好。該檢測(cè)器具有通用性,通過(guò)一定的功能擴(kuò)展可用來(lái)測(cè)量諸如車(chē)流量,車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度,占有率等一系列的智能交通控制系統(tǒng)中交通參數(shù),具有很高的實(shí)用價(jià)值。

      本文作者創(chuàng)新點(diǎn):運(yùn)用新型的高速低功耗MSP430單片機(jī)大大提高了對(duì)行駛車(chē)輛檢測(cè)的速度,一次檢測(cè)最快可在1.5ms內(nèi)完成,應(yīng)用軟件動(dòng)態(tài)刷新基準(zhǔn)以及限幅濾波與均值濾波等抗干擾方法提高了檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性。

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