基于MSP430單片機的行駛車(chē)輛檢測器的設計

利用環(huán)形線(xiàn)圈、MSP430F1121A單片機與輸出接口，組成低功耗行駛車(chē)輛檢測系統，并能根據用戶(hù)預先設定的靈敏度、工作方式、輸出方式進(jìn)行車(chē)輛檢測與信號輸出。

還應用軟件動(dòng)態(tài)刷新基準的方法提高了檢測的可靠性和準確性。實(shí)驗表明：該系統具有結構簡(jiǎn)單、功耗低、調節方便等優(yōu)點(diǎn)。

引言

近年來(lái)，車(chē)輛檢測器作為交通信息采集的重要前端部分，越來(lái)越受到業(yè)內人士的關(guān)注。鑒于公路交通現代化管理和城市交通現代化管理的發(fā)展需要，對于行駛車(chē)輛的動(dòng)態(tài)檢測技術(shù)——車(chē)輛檢測器的研制在國內外均已引起較大重視。車(chē)輛檢測器以機動(dòng)車(chē)輛為檢測目標，檢測車(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)輛檢測器主要有磁感應式檢測器，超聲波式檢測器，壓力開(kāi)關(guān)檢測器，雷達檢測器，光電檢測器以及視頻檢測器等，而環(huán)形線(xiàn)圈電磁感應式車(chē)輛檢測器具有性能穩定、結構簡(jiǎn)單、檢測電路易于實(shí)現、成本低、維護量少、適應面廣等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)應用范圍最廣。目前我國實(shí)際用于高速公路和城市道路的車(chē)輛檢測器幾乎全部是從國外進(jìn)口的，國產(chǎn)車(chē)輛檢測器存在著(zhù)諸多問(wèn)題，如誤檢率高、靈敏度低、長(cháng)時(shí)間工作穩定性差等。

在大量現場(chǎng)實(shí)驗基礎上，本文提出一種新的解決方案，將穩定性、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

本系統采用MSP430F1121A單片機與環(huán)形線(xiàn)圈相結合的方法對行駛車(chē)輛進(jìn)行檢測，是一種基于電磁感應原理的檢測器。傳感器線(xiàn)圈為通過(guò)有一定電流的環(huán)形線(xiàn)圈，當被檢測鐵質(zhì)物體通過(guò)線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)，引起線(xiàn)圈回路電感量的變化，檢測器通過(guò)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(xiàn)圈構成回路的耦合電路對其振蕩頻率進(jìn)行檢測。但線(xiàn)圈檢測易受車(chē)輛、濕度、溫度等外界環(huán)境的影響，基準頻率會(huì )產(chǎn)生漂移，從而影響檢測效果。同時(shí)，由于車(chē)型、車(chē)體、車(chē)速的不同，亦會(huì )影響檢測的準確性。針對這些情況，本文提出了一種軟件動(dòng)態(tài)刷新檢測基準的方法，以及抗干擾的軟件數字濾波方法，充分利用MSP430 系列單片機的片上資源對線(xiàn)圈頻率進(jìn)行檢測，有效提高了檢測的準確性與可靠性。

2 系統結構及硬件設計

2.1 系統結構

系統以MSP430F1121A單片機為核心，由環(huán)形線(xiàn)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、電壓監測模塊、工作方式設置模塊、信號輸出模塊及JTAG等組成。系統結構框圖如1 所示。

2.2 各模塊原理及硬件實(shí)現

環(huán)形線(xiàn)圈傳感器是一只埋在路面下的矩形線(xiàn)圈，其兩端引線(xiàn)接車(chē)輛檢測器。環(huán)形線(xiàn)圈的作用相當于LC振蕩回路中的電感L，當有金屬物體靠近時(shí)，其電感量發(fā)生變化，從而引起振蕩頻率的改變。通過(guò)對頻率的檢測、比較，可以判斷車(chē)輛的駛入或駛出。由它組成的LC振蕩電路與整形電路一起構成了信號輸入電路，如圖2所示。

環(huán)行線(xiàn)圈與行駛車(chē)輛之間是通過(guò)電磁場(chǎng)進(jìn)行耦合的。當車(chē)通過(guò)環(huán)形線(xiàn)圈并處在一定的位置時(shí)，在車(chē)體中引起的渦流是一定，而渦流對環(huán)形線(xiàn)圈的影響也是一定的，車(chē)輛與環(huán)形線(xiàn)圈之間存在著(zhù)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(xiàn)圈相交鏈。環(huán)形線(xiàn)圈由振蕩電路提供，電感為L(cháng)2，電阻為R2。則可推之等效電感為：

(1)

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

(2)

顯然，當車(chē)輛通過(guò)環(huán)形線(xiàn)圈時(shí)，L變小，則f增大，通過(guò)單片機檢測電路測得其頻率的變化，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，并構成正反饋。Tl為磁罐變壓器，起著(zhù)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(xiàn)外接環(huán)形線(xiàn)圈，環(huán)形線(xiàn)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)設置高低兩種振蕩頻率是考慮到現場(chǎng)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，不適合單片機做數字化處理，因此需要單向穩壓二極管和單門(mén)限電壓比較器將其轉變?yōu)榉讲ㄐ盘栞敵觥?/P>

由于不同應用場(chǎng)合中，LC振蕩電路的振蕩頻率不近相同，故輸出的方波信號通過(guò)一計數器進(jìn)行分頻，再由頻率選擇接口送入單片機的P2.5口，從而避免了單片機的計數溢出，增強了單片機對信號處理的靈活性。

MSP430F1121A單片機為16位RISC指令結構；內置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種內部參考電平和輸出帶RC濾波的比較器等。[3-4]

本文應用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)采集數據得出當前頻率，并根據當前設定的靈敏度與工作方式要求，再與基準頻率比較，從而判斷是否有車(chē)輛到來(lái)，最后根據設定的輸出方式向外輸出信號。

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

電壓監測模塊用來(lái)監測5V電源電壓。其原理是將5V電壓分壓后與MSP430 單片機的P2.2口比較器Comparator-A 輸入腳相連。當電源電壓低于設定電壓時(shí)，將啟動(dòng)電源電壓不足報警功能。

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

3 系統軟件設計

3.1 軟件程序設計

系統軟件采用模塊化結構程序設計方法設計，充分發(fā)揮了MSP430單片機豐富的片內外圍模塊的特點(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)，易于調試和維護，且具有運行速度快、執行效率高、便于移植。

系統軟件由主程序，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時(shí)鐘初始化子程序、單片機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(chē)輛檢測子程序、電壓不足報警子程序、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輸出子程序。主程序流程圖如圖3 所示。

主程序中設置了一個(gè)定時(shí)器，在無(wú)車(chē)通過(guò)的情況下，開(kāi)機后定時(shí)時(shí)間到觸發(fā)定時(shí)中斷服務(wù)程序，多次讀取當前P2.5端口中斷計數值后取平均值，從而獲取當前頻率值。并將此頻率值設置為基準頻率，并將第一次測頻標志置位，此標志只有在系統復位時(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 )對檢測的準確性帶來(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，如果設置一個(gè)固定的基準值可能會(huì )造成誤判而影響設計的可靠性和準確性。因此，本文在不影響檢測速度的前提下，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)當前頻率值與當前基準頻率值分別進(jìn)行比較，根據經(jīng)驗設定允許的最大偏差，如果當前頻率值和當前基準頻率值的差值超過(guò)了允許的最大偏差，則認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)當前頻率值取平均值。

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

4 結束語(yǔ)

本車(chē)輛檢測器具有電路簡(jiǎn)單、精度高、體積小、響應時(shí)間短、性能穩定等特點(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(guò)一定的功能擴展可用來(lái)測量諸如車(chē)流量，車(chē)隊長(cháng)度，占有率等一系列的智能交通控制系統中交通參數，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：運用新型的高速低功耗MSP430單片機大大提高了對行駛車(chē)輛檢測的速度，一次檢測最快可在1.5ms內完成，應用軟件動(dòng)態(tài)刷新基準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確性。