磁阻车辆检测器的低功耗设计

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随着经济的发展，城市交通问题越来越严重，交通拥堵、交通事故频发是影响城市交通安全运行的主要因素。利用车辆检测技术，对车辆进行引导、疏导交通流，合理利用现有的道路资源控制交通流，可有效减少交通拥堵与交通事故的发生。
车辆检测器是检测交通流的主要部件。当车辆通过检测器时，车辆影响地磁场在检测器周围的磁力线分布。磁阻车辆检测器检测周围磁场变化，根据磁场变化检测车辆的信息。通过无线网络将数据传输至控制中心，通过车流量信息控制匝道口的开放与关闭，实现交通流的控制。车辆检测器埋于地下，车辆检测器的使用寿命问题是影响系统推广的主要因素，因此实现低功耗、长寿命是实现车辆检测器系统实际应用价值的必要条件。
为了延长电池供电系统工作寿命，常见的方法有增加电池容量和降低系统功耗[1]。要增加电池容量就意味着电池体积的增加，导致了传感器系统体积庞大、安装不便，不利于工程施工。因此，降低系统功耗是目前国际、国内研究的主要方向。常用的解决方案是利用定时唤醒机制，但唤醒的时间间隔不能过长，否则传感器不能及时响应，导致数据丢失的发生。因此不论有无读取信息需求，系统都要进行定时查询，造成能量消耗，另外定时唤醒需要时钟电路工作，这意味着MCU不能进入彻底休眠状态，导致定时唤醒机制不能达到最佳的节能效果[2]。本文针对这一问题，引入中断唤醒机制(休眠降耗法)、降频降耗方式为节能提供有效途径，并对这几种方法的可行性进行分析，同时利用低功耗的ZigBee网络技术实现数据传输，将系统功率消耗降至最低。ZigBee技术是一种低功耗、低复杂度、低数据传输速率、近距离、低成本的双向无线通信技术，适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，利用ZigBee网络实现车辆检测数据传输，具有低成本、低功耗、网络结构简单等优点[3]。
1 系统功耗分析
1.1 系统组成
车辆检测器主要由传感器、信号调理、无线数据收发和中央控制器组成，系统结构如图1所示。

车辆检测器埋于路面之下，以磁阻传感器感应车辆通过，产生微弱电压信号，电压信号经过处理后，转换为微控制器所需的中断信号，微处理器检测中断信号产生时刻t，与车辆通过传感器两个不同车轴产生中断信号的时间间隔Δt，根据两个参数可以计算出车辆轴距与车速等信息。
1.2 系统消耗功率分析
系统消耗的功率主要集中在信号调理、微控制器、ZigBee无线收发三部分，表1为影响系统功耗因素列表。

  
1.2.1信号调理
信号调理模块的功率消耗主要集中在放大器部分[4]，放大器将传感器输出的微弱信号进行放大，根据信号的波动强度调节放大倍数，使得输出较为稳定。放大级数越多，工作频率越高；而工作电流越大，消耗功率越大。因此当一级放大可以满足放大要求时，采用一级放大方式，减少放大级数；选择低供电电压、低噪声、低输入偏置电流及低静态电流放大器可有效降低放大器功耗。
1.2.2 微控制器
微控制器为系统控制的核心，在不同工作频率时，消耗的功率不同。数字电路消耗功率主要包括动态功率与静态功率。静态为“0”或“1”的恒定状态，即当电路状态没有进行翻转(保持高电平或低电平)时，电路功耗属于静态功耗；而动态为“0”“1”的跳变状态，即电路翻转状态时，产生的功耗为动态功耗[5]，数字电路总功耗P如下式所示：

式中：VDD为工作电源电压；IDD为静态时由电源流向电路内部的电流；ITC为脉冲电流的时间平均值；f为工作频率；CL为电路输出端的负载电容。
由于工作频率f、工作电压VDD及CL对总功耗有较大的影响，因此，要降低电路的功耗，就需要降低工作频率、降低工作电压或尽可能使电路处于静态工作状态。
1.2.3 无线射频模块
数据传输部分是系统主要的能量消耗模块，数据传输速率、发射功率是影响无线传输模块的主要因素[6]。发射功率越大，数据传输波特率越高，模块消耗功率就越大。
2 低功耗设计
2.1休眠降耗法
当系统空闲时，利用休眠功能，系统进入低功耗状态，中断的产生会使MCU退出低功耗模式。在具备中断情况下，MCU可以在整个过程中保持睡眠状态，只有产生中断时才被激活，处理器与无线射频在休眠状态时，功耗较低。以MSP430系列单片机与射频芯片CC2520为例，休眠功耗大约只有几微安[7]。
为了确定方案的可行性，对中断方式的两种极端检测方式进行分析：
(1)误差计算
①假设车辆最高时速为200 km/h(即55.6 m/s)，车长为2 m，车辆通过传感器的时间t=2/55.6=36 ms。MCU与射频电路由睡眠状态唤醒需要的时间为0.2 ms，误差为0.2/36=0.56%，误差较低，如果在软件中加入校正，此误差在理论上为零。因此，车辆在高速运行状态下，中断启动方式可以实现。
②假设车速为30 km/h(即8.3 m/s)，车辆通过传感器的时间t=2/8.3=241 ms，MCU与射频电路由睡眠状态唤醒需要的时间为0.2 ms，误差为0.2/241=0.09%。因此，误差很低可以忽略不计。
由以上分析可知，此方法误差很小，利用此方式对系统测量误差影响很小，方法可行。
(2)功耗分析
①假设车速200 km/h，车辆安全间距为200 m，因此MCU和射频芯片间歇时间为200/55.6=3.6 s，而MCU与射频电路正常工作时间仅为t=2/55.6=36 ms，采用此方法可以将功率消耗减少到0.036/(3.6+0.036)=1%。降低功耗效果明显。
②假设车速为30 km/h(即8.3 m/s)，安全距离为30 m，处理器与无线射频间歇时间为30/8.3=3.6 s，工作时间为t=2/8.3=241 ms，则功率消耗降低为0.241/(0.241+3.6)=6.3%。
由以上分析可知，利用MCU与射频芯片的休眠功能，可以很大程度上降低系统消耗功率，特别是在高速路段，可以将系统消耗功率降低为原来的1%，且即使车辆在低速运行过程中，功率也能降低为原来的1/16。

2.2 降频降耗法
MCU的耗能主要与其工作电压和工作频率有关[8]。MCU消耗功率P与工作电压和工作频率的关系可由如下公式得到：
P=CV2f (4)
其中C为系统的负载电容，V为电源电压，f为系统工作频率。由公式可以看出，电源电压的大小对系统功耗影响很大(以二次方的形式增加)，其次是系统的工作频率和系统负载电容。一般系统的负载电容难以控制，所以，在不影响系统工作性能的情况下，选用较低的工作电压和工作频率可以有效地降低系统的功耗。
以MSP430单片机为例，MSP430系列单片机具有双时钟的特性，当系统工作频率为4 kHz、工作电压为3 V时，MCU消耗电流最大为32μA，是系统频率为1 MHz时消耗功率(595 μA)的1/18，功率降低明显。
可行性分析：传感器输出的数据波形需要利用波形宽度和波峰位置信息，如果不用A/D也可获得这两种信息，可以通过降低MCU主频来降低功耗。该方法的核心问题是寻找替代A/D的测量方式。
一般传感器检测到的信号波形类似于正弦波，波形通过一级高增益放大器放大波形进行波形转换，放大器输出峰值为3.3 V的类方波，系统省略一级波形转换电路，利用中断方式触发MCU。当放大器输出电压值达到1.8 V时，MCU将其判断为高电平，即可触发MCU产生中断，MCU利用测周期方法测量类方波的宽度，并计算出两个波峰间距。各个模块的信号波形如图2所示。

假设车辆最高时速为200 km/h(即55.6 m/s)，车身长为2 m，车辆通过传感器的时间为t=2/55.6=36 ms。MCU采用主频4 kHz运行，系统测量误差为1/4 000=0.25 ms，因此测量宽度为36 ms的波形误差为0.25/36=0.7%。?驻t大约为整个波形周期的1/20，而此部分可以利用软件补偿，理论上此误差为零。
2.3 软件低功耗设计
软件低功耗的设计目的就是充分利用应用所允许的最深睡眠状态，确保芯片尽可能长时间地保持在这一状态下。软件协议降低功耗主要从以下几个方面设计：(1)构建低功耗的无线传感器网络节点；(2)根据终端节点与接入点之间的距离，利用功率控制技术智能调节发射功率，以降低节点无线通信模块的能量消耗。软件流程图如图3所示。

  
3 实验结果
车辆经过检测器，系统由休眠状态唤醒，读取当前时刻值，测量两次中断宽度，将信息数据发送至网络父节点。每次中断唤醒，系统向其父节点发送一帧包含车辆信息的数据包，因此，只有在唤醒状态下，系统功率消耗才会增加。通过实验，得到功耗降低明显，在10 min测量时间内，有休眠与无休眠电流曲线比较图如图4所示。

降低系统功耗不但可以节约能源，而且可以减小硬件体积、延长硬件使用寿命，因此低功耗设计越来越受到人们的重视。低功耗在系统硬件设计及软件设计、器件的工艺设计等方面具有较明显的效果。本文分析了车辆检测器电路功耗特性，提出了休眠降耗法和降频降耗法，实验结果证明这两种方法降低系统功耗明显，即使在繁忙的工作时段也能降低70%以上的功耗，从而延长终端节点的使用寿命，使系统更具有实用性。