基于MSP430單片機(jī)的行駛車輛檢測器的設(shè)計(jì)

利用環(huán)形線圈、MSP430F1121A單片機(jī)與輸出接口，組成低功耗行駛車輛檢測系統(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)行車輛檢測與信號(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)簡單、功耗低、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。

引言

近年來，車輛檢測器作為交通信息采集的重要前端部分，越來越受到業(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)于行駛車輛的動(dòng)態(tài)檢測技術(shù)——車輛檢測器的研制在國內(nèi)外均已引起較大重視。車輛檢測器以機(jī)動(dòng)車輛為檢測目標(biāo)，檢測車輛的通過或存在狀況，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，常用的行駛車輛檢測器主要有磁感應(yīng)式檢測器，超聲波式檢測器，壓力開關(guān)檢測器，雷達(dá)檢測器，光電檢測器以及視頻檢測器等，而環(huán)形線圈電磁感應(yīng)式車輛檢測器具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、檢測電路易于實(shí)現(xiàn)、成本低、維護(hù)量少、適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn)，市場應(yīng)用范圍最廣。目前我國實(shí)際用于高速公路和城市道路的車輛檢測器幾乎全部是從國外進(jìn)口的，國產(chǎn)車輛檢測器存在著諸多問題，如誤檢率高、靈敏度低、長時(shí)間工作穩(wěn)定性差等。

在大量現(xiàn)場實(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)行駛車輛進(jìn)行檢測，是一種基于電磁感應(yīng)原理的檢測器。傳感器線圈為通過有一定電流的環(huán)形線圈，當(dāng)被檢測鐵質(zhì)物體通過線圈切割磁力線，引起線圈回路電感量的變化，檢測器通過檢測該電感變化量就可以檢測出被測物體的存在。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。但線圈檢測易受車輛、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，從而影響檢測效果。同時(shí)，由于車型、車體、車速的不同，亦會(huì)影響檢測的準(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，有效提高了檢測的準(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，其兩端引線接車輛檢測器。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。通過對(duì)頻率的檢測、比較，可以判斷車輛的駛?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)行線圈與行駛車輛之間是通過電磁場進(jìn)行耦合的。當(dāng)車通過環(huán)形線圈并處在一定的位置時(shí)，在車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，車輛與環(huán)形線圈之間存在著一定的互感。于是，我們把車輛看作具有電感L1和電阻R1的短路環(huán)，它通過互感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L2，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)有車輛通過環(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)車輛通過環(huán)形線圈時(shí)，L變小，則f增大，通過單片機(jī)檢測電路測得其頻率的變化，從而可判斷有無車輛通過。

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通過引線外接環(huán)形線圈，環(huán)形線圈的感抗通過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，由此來設(shè)置高低兩種振蕩頻率是考慮到現(xiàn)場的不同情況，以便取得較好的檢測效果。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，從而判斷是否有車輛到來，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)測模塊用來監(jiān)測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)置模塊是通過撥碼盤設(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，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化。全部程序采用C 語言編寫，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：單片機(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：初次測基頻子程序、車輛檢測子程序、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，在無車通過的情況下，開機(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。

由于車型、車體、車速的不同，會(huì)對(duì)檢測的準(zhǔn)確性帶來一定的影響。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，本文在不影響檢測速度的前提下，在判斷車輛是否進(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)為有車輛進(jìn)入，再進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的輸出。如果判斷無車輛進(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

本車輛檢測器具有電路簡單、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。該檢測器具有通用性，通過一定的功能擴(kuò)展可用來測量諸如車流量，車隊(duì)長度，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)行駛車輛檢測的速度，一次檢測最快可在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的可靠性和準(zhǔn)確性。