磁阻車(chē)輛檢測器的低功耗設計

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問(wèn)題越來(lái)越嚴重，交通擁堵、交通事故頻發(fā)是影響城市交通安全運行的主要因素。利用車(chē)輛檢測技術(shù)，對車(chē)輛進(jìn)行引導、疏導交通流，合理利用現有的道路資源控制交通流，可有效減少交通擁堵與交通事故的發(fā)生。

車(chē)輛檢測器是檢測交通流的主要部件。當車(chē)輛通過(guò)檢測器時(shí)，車(chē)輛影響地磁場(chǎng)在檢測器周?chē)拇帕€(xiàn)分布。磁阻車(chē)輛檢測器檢測周?chē)艌?chǎng)變化，根據磁場(chǎng)變化檢測車(chē)輛的信息。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸至控制中心，通過(guò)車(chē)流量信息控制匝道口的開(kāi)放與關(guān)閉，實(shí)現交通流的控制。車(chē)輛檢測器埋于地下，車(chē)輛檢測器的使用壽命問(wèn)題是影響系統推廣的主要因素，因此實(shí)現低功耗、長(cháng)壽命是實(shí)現車(chē)輛檢測器系統實(shí)際應用價(jià)值的必要條件。

為了延長(cháng)電池供電系統工作壽命，常見(jiàn)的方法有增加電池容量和降低系統功耗[1]。要增加電池容量就意味著(zhù)電池體積的增加，導致了傳感器系統體積龐大、安裝不便，不利于工程施工。因此，降低系統功耗是目前國際、國內研究的主要方向。常用的解決方案是利用定時(shí)喚醒機制，但喚醒的時(shí)間間隔不能過(guò)長(cháng)，否則傳感器不能及時(shí)響應，導致數據丟失的發(fā)生。因此不論有無(wú)讀取信息需求，系統都要進(jìn)行定時(shí)查詢(xún)，造成能量消耗，另外定時(shí)喚醒需要時(shí)鐘電路工作，這意味著(zhù)MCU不能進(jìn)入徹底休眠狀態(tài)，導致定時(shí)喚醒機制不能達到最佳的節能效果[2]。本文針對這一問(wèn)題，引入中斷喚醒機制(休眠降耗法)、降頻降耗方式為節能提供有效途徑，并對這幾種方法的可行性進(jìn)行分析，同時(shí)利用低功耗的ZigBee網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現數據傳輸，將系統功率消耗降至最低。ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低復雜度、低數據傳輸速率、近距離、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，適合于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設備中，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò )實(shí)現車(chē)輛檢測數據傳輸，具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 系統功耗分析

1.1 系統組成

車(chē)輛檢測器主要由傳感器、信號調理、無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)和中央控制器組成，系統結構如圖1所示。

車(chē)輛檢測器埋于路面之下，以磁阻傳感器感應車(chē)輛通過(guò)，產(chǎn)生微弱電壓信號，電壓信號經(jīng)過(guò)處理后，轉換為微控制器所需的中斷信號，微處理器檢測中斷信號產(chǎn)生時(shí)刻t，與車(chē)輛通過(guò)傳感器兩個(gè)不同車(chē)軸產(chǎn)生中斷信號的時(shí)間間隔Δt，根據兩個(gè)參數可以計算出車(chē)輛軸距與車(chē)速等信息。

1.2 系統消耗功率分析

系統消耗的功率主要集中在信號調理、微控制器、ZigBee無(wú)線(xiàn)收發(fā)三部分，表1為影響系統功耗因素列表。

1.2.1信號調理

信號調理模塊的功率消耗主要集中在放大器部分[4]，放大器將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大，根據信號的波動(dòng)強度調節放大倍數，使得輸出較為穩定。放大級數越多，工作頻率越高；而工作電流越大，消耗功率越大。因此當一級放大可以滿(mǎn)足放大要求時(shí)，采用一級放大方式，減少放大級數；選擇低供電電壓、低噪聲、低輸入偏置電流及低靜態(tài)電流放大器可有效降低放大器功耗。

1.2.2 微控制器

微控制器為系統控制的核心，在不同工作頻率時(shí)，消耗的功率不同。數字電路消耗功率主要包括動(dòng)態(tài)功率與靜態(tài)功率。靜態(tài)為“0”或“1”的恒定狀態(tài)，即當電路狀態(tài)沒(méi)有進(jìn)行翻轉(保持高電平或低電平)時(shí)，電路功耗屬于靜態(tài)功耗；而動(dòng)態(tài)為“0”“1”的跳變狀態(tài)，即電路翻轉狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的功耗為動(dòng)態(tài)功耗[5]，數字電路總功耗P如下式所示：

式中：VDD為工作電源電壓；IDD為靜態(tài)時(shí)由電源流向電路內部的電流；ITC為脈沖電流的時(shí)間平均值；f為工作頻率；CL為電路輸出端的負載電容。

由于工作頻率f、工作電壓VDD及CL對總功耗有較大的影響，因此，要降低電路的功耗，就需要降低工作頻率、降低工作電壓或盡可能使電路處于靜態(tài)工作狀態(tài)。