周亞,戴偉,張?chǎng)危?麗
(中科芯集成電路有限公司,江蘇 南京 210000)
隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于交通行業(yè)[1]。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,有各式各樣的傳感器來(lái)滿足其應(yīng)用需求。常見的交通物聯(lián)網(wǎng)傳感器包括射頻識(shí)別類傳感器、紅外線感知類傳感器、GNSS 衛(wèi)星定位類傳感器[2]、激光掃描類傳感器以及地磁感應(yīng)類傳感器。其中,地感線圈由于成本低、檢測(cè)精度較高、工程安裝便捷等特點(diǎn),具有較好的適用性[3]。當(dāng)前的研究多集中在以地感線圈作為傳感器的系統(tǒng)級(jí)別研究,針對(duì)地感線圈信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)不多。可采用微型地感線圈,用于為交通流量調(diào)查系統(tǒng)提供車流量數(shù)據(jù)[4];同一車道布設(shè)兩個(gè)地感線圈可以進(jìn)行車輛車速的測(cè)量[5]??梢岳玫馗芯€圈作為基礎(chǔ)信號(hào)感知的輸入源,與交通信號(hào)燈進(jìn)行聯(lián)控,繼而實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)燈的智能化控制[6]。在交通治超領(lǐng)域,可以將地感線圈同稱重傳感器結(jié)合,作為動(dòng)態(tài)稱重(Weigh In Motion,WIM)系統(tǒng)的一部分,實(shí)現(xiàn)車輛的動(dòng)態(tài)稱重[7]。
基于此,本文對(duì)地感線圈工作原理進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地感線圈信號(hào)的采集電路設(shè)計(jì),并通過(guò)PSpice 軟件仿真,對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了驗(yàn)證,可為交通物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用起到參考與借鑒作用。
地感線圈是由導(dǎo)線繞成的線圈,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。通常地感線圈選型采用1.0 mm 的銅芯軟導(dǎo)線[8]。
圖1 地感線圈結(jié)構(gòu)示意圖
地感線圈處于通電狀態(tài)時(shí),在地感線圈周圍會(huì)形成一個(gè)交變的電磁場(chǎng),根據(jù)電磁感應(yīng)原理,當(dāng)有金屬物體通過(guò)地感線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致地感線圈的磁通量變化,產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種閉合回路電流也稱之為渦流。
由電磁場(chǎng)理論可知,導(dǎo)線會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng),對(duì)于N 匝、長(zhǎng)度為S 的螺線管型線圈,其自感量計(jì)算[9]如式(1)所示:
式中,μr為線圈介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7H/m,A為線圈的環(huán)繞面積。
地感線圈在交通物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中,正是基于該理論。在路面埋設(shè)了地感線圈,當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)時(shí),車輛會(huì)和線圈發(fā)生磁感應(yīng),生成一個(gè)信號(hào)。由于車輛在線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中自身產(chǎn)生渦流,該渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與地感線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性相反,削弱了線圈原有磁場(chǎng),導(dǎo)致線圈的電感量變小。實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)檢測(cè)地感線圈電感量數(shù)值的變化來(lái)判斷有無(wú)車輛行駛經(jīng)過(guò)。
地感線圈信號(hào)采集流程設(shè)計(jì)如圖2 所示。整個(gè)流程主要包括四部分:地感線圈、調(diào)諧振蕩電路、波形整形電路、信號(hào)處理電路。
圖2 地感線圈信號(hào)采集流程
當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)地下埋設(shè)的線圈時(shí),線圈產(chǎn)生一個(gè)電感量L,經(jīng)過(guò)調(diào)諧振蕩電路和波形整形電路處理得到頻率為f 的電壓方波信號(hào),最后經(jīng)過(guò)微處理器進(jìn)行處理。
地感線圈電感量初始值為L(zhǎng)1(無(wú)車輛駛?cè)耄l率為f1;當(dāng)有車輛駛?cè)霑r(shí),地感線圈電感量發(fā)生變化為L(zhǎng)2,頻率為f2。通常L1>L2。將正弦波經(jīng)波形整形電路后送入信號(hào)處理電路檢測(cè),通過(guò)比較f2和初始值f1,判斷有無(wú)車輛駛?cè)搿?/p>
2.2.1 調(diào)諧振蕩電路
本文設(shè)計(jì)所采用的調(diào)諧振蕩電路類型為電容三點(diǎn)式振蕩電路(LC 振蕩電路)。其電路原理圖如圖3 所示。
圖3 LC 振蕩電路原理圖
電容三點(diǎn)式振蕩電路是指兩個(gè)電容的3 個(gè)端分別與晶體管的3 個(gè)極相連接,顧又稱為電容反饋式振蕩電路或Colpitts 振蕩電路(考畢茲振蕩電路)。電容三點(diǎn)式振蕩電路具有輸出波形較好,振蕩頻率高等優(yōu)點(diǎn)。圖3中,L1是回路地感線圈,C1、C2是耦合電容,C3、C4是回路電容,C5 是高頻旁路電容。設(shè)計(jì)過(guò)程中,通常將高頻旁路電容和耦合電容取值比回路電容大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
對(duì)于一個(gè)具體的振蕩電路,振幅的增大主要依賴于三極管的集電極靜態(tài)電流,若該值設(shè)置太大,則三極管容易進(jìn)入飽和狀態(tài),繼而導(dǎo)致振蕩波形失真,甚至引起振蕩電路停振。設(shè)計(jì)過(guò)程中,一般Ic取值范圍為1 mA~4 mA。
為了改善輸出波形和提高工作點(diǎn)的穩(wěn)定性,在發(fā)射機(jī)上串接了電阻Re,構(gòu)成電流串聯(lián)負(fù)反饋。正弦波振蕩電路產(chǎn)生持續(xù)等幅振蕩的必須滿足振幅平衡條件及相位平衡條件,其中,振幅平衡條件公式為:
其中,Av為放大電路增益,F(xiàn)v為反饋增益,
相位平衡條件為:
反饋系數(shù)由式(4)計(jì)算可得。
反饋系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值,一般取0.1~0.5,取值過(guò)小則不容易起振。
當(dāng)電路同時(shí)滿足振幅平衡條件與相位平衡條件時(shí),電路就能起振。振蕩頻率為f,可由式(5)計(jì)算所得[10]。
其中,電容C 由式(6)計(jì)算可得:
考慮到rce和rbe的影響,實(shí)際振蕩頻率略高于計(jì)算所得數(shù)值。
2.2.2 波形整形電路
波形整形電路如圖4 所示。
圖4 波形整形電路原理圖
波形整形電路由一個(gè)電壓比較器組成,當(dāng)輸入正弦波波形電壓高于0 V 時(shí)輸出高電平,低于0 V 時(shí)則輸出低電平,將輸出電壓限幅在0~3.3 V,從而將頻率為f 的正弦波整形為頻率為f 的方波,便于信號(hào)處理電路檢測(cè)處理。
2.2.3 信號(hào)處理電路
信號(hào)處理電路主要是利用微處理器中的定時(shí)器的輸入捕獲功能,兼顧性價(jià)比,本設(shè)計(jì)微處理器選用STM-32F103CBT6。STM32F103CBT6是意法半導(dǎo)體(ST)公司的低功耗、低電壓、高性能的ARM 內(nèi)核芯片,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)行業(yè)等市場(chǎng)領(lǐng)域。
該芯片的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。
表1 算法運(yùn)行時(shí)間比較
根據(jù)交通流量檢測(cè)系統(tǒng)的功能及接口需求,保證系統(tǒng)具有較高抗干擾性能和工作可靠穩(wěn)定,微處理器需集成CAN 控制器,方便與其他模塊通信,微處理器需集成通用定時(shí)器,作為輸入捕獲的使用,輸入捕獲模式可以用來(lái)測(cè)量脈沖寬度或者測(cè)量頻率。
假定定時(shí)器工作在向上計(jì)數(shù)模式,輸入捕獲測(cè)量高電平脈寬的原理如圖5 所示。
圖5 測(cè)量高電平脈寬原理圖
圖5 中t1~t2時(shí)間表示實(shí)際所需測(cè)量的高電平時(shí)間。測(cè)量方法如下:首先設(shè)置定時(shí)器通道x 為上升沿捕獲,在t1時(shí)刻,將會(huì)捕獲到當(dāng)前的CNT值,然后立即清零CNT值,并設(shè)置通道x 為下降沿捕獲。當(dāng)進(jìn)行到t2時(shí)刻,再次發(fā)生捕獲事件,得到此時(shí)的CNT值,記為CCRx2。至此,根據(jù)定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率,就可以算出t1~t2的持續(xù)時(shí)間,從而得到高電平脈寬,最終將脈沖高電平寬度時(shí)間轉(zhuǎn)化為頻率f。
PSpice 是MicroSim 公司推出的一款EDA 軟件,具有精度高、實(shí)用性強(qiáng)、仿真效果好等優(yōu)點(diǎn),是世界著名的電路仿真標(biāo)準(zhǔn)之一。PSpice 具有強(qiáng)大的電路繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號(hào)繪制功能,以圖形方式,自動(dòng)進(jìn)行電路檢查,模擬和計(jì)算電路。本文設(shè)計(jì)的仿真電路如圖6 所示。
圖6 仿真電路圖
圖6中,由三極管Q1 組成共射極振蕩器,電阻R4是三極管的公共射極電阻,R1、R3 組成Q1 基極偏置電阻,為三極管提供固定基極電壓。其中L1 外接地感線圈,形成等效電感L,L 與并聯(lián)的電容C3 和C4 形成振蕩回路,LC 值決定了振蕩頻率。U1A 是電壓比較器,起到波形整形的作用。
電感L1 用于模擬電感線圈,模擬車輛通行經(jīng)過(guò)線圈產(chǎn)生不同電感值的場(chǎng)景。
兩次仿真的主要參數(shù)如表2 所示。表2中,L 為輸入?yún)?shù),第一次仿真L 設(shè)置為30 mH(默認(rèn)無(wú)車輛駛?cè)霑r(shí)電感初始值),第二次仿真L 設(shè)置為10 mH,以此模擬車輛經(jīng)過(guò)地感線圈引起的線圈地感值。Analysis Type、Run To Time、Start Saving Date After、Maximum Step Size為仿真參數(shù)。本文在仿真測(cè)試過(guò)程中,第一次仿真與第二次仿真除電感值以外,均采用相同仿真參數(shù)。
表2 仿真參數(shù)
其中,第一次仿真結(jié)果如圖7 所示。采用33 mH 作為輸入電感值,則輸出得到的方波頻率約為4.16 kHz。
圖7 30 mH 電感仿真結(jié)果
第二次仿真結(jié)果如圖8 所示。當(dāng)汽車駛?cè)牒?,線圈電感值將會(huì)變小,因此采用10 mH 作為輸入電感值,則輸出得到的方波頻率約為6.46 kHz。
圖8 10 mH 電感仿真結(jié)果
綜合上述仿真結(jié)果,對(duì)比圖7 和圖8,可以看出,通過(guò)改變輸入的電感值L,經(jīng)本文所設(shè)計(jì)的電路處理,輸出的頻率f 是不相同的。通過(guò)和初始值頻率f 相比較,可判斷有無(wú)車輛經(jīng)過(guò)線圈。
本文設(shè)計(jì)了基于地感線圈的車輛駛?cè)霗z測(cè)電路,主要采用STM32F103VBT6 微處理器芯片,設(shè)計(jì)了調(diào)諧震蕩電路與波形整形電路。通過(guò)調(diào)諧震蕩電路實(shí)現(xiàn)了電感到電壓頻率的轉(zhuǎn)換,通過(guò)波形整形電路實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào),最終實(shí)現(xiàn)了將線圈的地感信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓方波的頻率信息。通過(guò)軟件仿真,模擬驗(yàn)證了不同車輛行駛狀態(tài)導(dǎo)致線圈電感值變化的場(chǎng)景,結(jié)果得到了不同頻率的輸出信號(hào),繼而驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路的正確性。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路為線圈信號(hào)采集電路在交通物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種簡(jiǎn)單可行的設(shè)計(jì)方案。