基于單片機MSP430行駛車輛檢測器的設(shè)計
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0 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, 對于行駛車輛的動態(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。車輛檢測器以機動車輛為檢測目標(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、檢測電路易于實現(xiàn)、成本低、維護(hù)量少、適應(yīng)面廣等優(yōu)點，市場應(yīng)用范圍最廣。目前我國實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、長時間工作穩(wěn)定性差等。[1-2]
在大量現(xiàn)場實驗基礎(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單片機與環(huán)形線圈相結(jié)合的方法對行駛車輛進(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)頻率會產(chǎn)生漂移，從而影響檢測效果。同時，由于車型、車體、車速的不同，亦會影響檢測的準(zhǔn)確性。針對這些情況，本文提出了一種軟件動態(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系列單片機的片上資源對線圈頻率進(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
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)以MSP430F1121A單片機為核心,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，其電感量發(fā)生變化，從而引起振蕩頻率的改變。通過對頻率的檢測、比較，可以判斷車輛的駛?cè)牖蝰偝?。由它組成的LC振蕩電路與整形電路一起構(gòu)成了信號輸入電路，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，在車體中引起的渦流是一定，而渦流對環(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)形線圈供電電壓為 
，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L2的變化幅度與車輛的導(dǎo)磁率有關(guān)，第二項與電渦流效應(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，（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(dāng)車輛通過環(huán)形線圈時，L變小，則f增大，通過單片機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，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盘栞敵觥?/P>
由于不同應(yīng)用場合中，LC振蕩電路的振蕩頻率不近相同，故輸出的方波信號通過一計數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)；內(nèi)置4kBFlash和256BRAM；一個l6位定時器Timer-A和看門狗定時器；一個具有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定時中斷相配合，定時采集數(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。
電源模塊由AS1117芯片完成5V轉(zhuǎn)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(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,將啟動電源電壓不足報警功能。
工作方式設(shè)置模塊是通過撥碼盤設(shè)置單片機代表靈敏度、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
3.1 軟件程序設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計方法設(shè)計,充分發(fā)揮了MSP430 單片機豐富的片內(nèi)外圍模塊的特點,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個初始化子程序，10個功能子程序組成。3個初始化子程序分別是:單片機時鐘初始化子程序、單片機I/O端口初始化子程序、定時器A 初始化子程序。10 個功能子程序分別是:初次測基頻子程序、車輛檢測子程序、電壓不足報警子程序、判鍵子程序、查鍵子程序、延時子程序、動態(tài)刷新基頻子程序、P2.5口中斷子程序、定時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(shè)置了一個定時器,在無車通過的情況下，開機后定時時間到觸發(fā)定時中斷服務(wù)程序,多次讀取當(dāng)前P2.5端口中斷計數(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)位時才能被清零。此后，通過判鍵子程序、查鍵子程序確定此時系統(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，會對檢測的準(zhǔn)確性帶來一定的影響。同時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)置一個固定的基準(zhǔn)值可能會造成誤判而影響設(shè)計的可靠性和準(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，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)時間短、性能穩(wěn)定等特點，已在浙江某公路卡口使用，效果良好。該檢測器具有通用性，通過一定的功能擴展可用來測量諸如車流量，車隊長度，占有率等一系列的智能交通控制系統(tǒng)中交通參數(shù)，具有很高的實用價值。
本文作者創(chuàng)新點:運用新型的高速低功耗MSP430單片機大大提高了對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。
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