基于AT91RM9200和HMC1022芯片实现智能交通车辆检测系统的设计

出处:单片机与嵌入式系统应用 发布于:2020-10-30 14:26:07

   目前我国逐步启动了智能交通系统(Intelligent Transportation Systems ,ITS)的产品开发,以期解决城市交通问题。信息化是ITS 实现的前提,ITS 子系统都离不开实时,丰富,有效的信息。可以说交通信息是ITS 运作的“灵魂”。为了获得更有效,更详细,更丰富的交通信息,本文提出了一种基于AT91RM9200 和AMR 磁阻传感器(HMC1022)的嵌入式前端信息采集设备。

  1 AMR 磁阻传感器技术简介

  异向性磁阻传感器(AMR),   适于工作在地球磁场范围,可以检测直流静态磁场,也可以检测磁场的强度和方向。AMR传感器的制作过程是将铁-镍合金(Permalloy)薄膜沉积在硅片上形成电阻条,在磁场中其阻值可变化2-3%。通常,四个这样的电阻连接成一个惠斯通电桥的形式,可以测出沿着单一轴线的磁场的强度和方向。

  本项目采用Honeywell的HMC1022双轴磁阻传感器,当HMC1002暴露在变化的磁场中时,其电阻有所改变(△R),从而引起相应的输出电压的变化,AMR磁阻传感器的   原理将磁场转换成差分输出电压。HMC1022的主要性能指标如表1所示:

  AMR传感器检测原理:地球磁场在很广阔的区域内(大约几公里)是一定的。一个铁磁性物体,如汽车,无论它是运动的还是静止的,AMR传感器均可检测由于车辆干扰而引起的地磁场的变化。车辆检测可以有几种应用方式:单轴传感器可以用来检测车辆是否存在,根据车辆铁磁物质含量的不同,传感器距车辆的检测距离   远可达15米。另一种应用是检测车辆的通过,在这个应用中,可使用双轴传感器来判断车辆的存在、行驶的方向和速度,使操作者获取足够的信息。该项目采用双轴传感器,通过使用合适的AMR传感器和放大器,可以通过   的磁场信息提供磁场强度和方向信息。

  2 系统结构设计

  整体系统中基于AT91RM9200和AMR磁阻传感器(HMC1022)的嵌入式前端检测设备在整个信息系统中作为传感节点,路口前端管理设备作为路口接入点(通过CAN-Bus得到合理的传感节点交通流量信息后对路口交通状况作出响应),传感节点和接入点均可以通过以太网传入管理中心。整体系统结构如图1所示:

  将该设备安装在车道旁,可以提供车辆通过带来的丰富的磁信号,双轴AMR磁阻传感器将得到的原始数据通过运算放大器放大整形后,再通过A/D转换器,把编码后的信号输入到AT91RM9200,AT91RM9200判断处理采样得到信号,再把有用信号通过CAN-Bus总线发送给路口前端管理设备或直接通过以太网,光纤传入管理中心。

  3 传感节点硬件设计

  3.1 硬件系统设计

  前端信息采集设备主要由置位/复位电流带电路,信号调理电路,微处理器,10/100MEthernet部分,CAN收发部分,参数备份等部分组成,设备硬件部分的基本组成框图如图2所示:

  AMR磁阻传感器(HMC1022)输出的毫伏信号经运算放大器进行差分放大后,进入A/D转换芯片,经A/D芯片转换后通过SPI总线发送至AT91RM9200。AT91RM9200对抽样采集进来的信号进行处理后,通过CAN总线发送给路口前端管理设备或通过以太网传入管理中心。

  3.2 置位/复位电流带

  大多数低磁场传感器受到大的磁场干扰(》4-20高斯)的影响可能导致输出信号的衰变,为了减少这种影响和   化信号输出,可以在磁阻电桥上应用磁开关切换技术,消除过去磁历史的影响。置位/复位电流带的目的就是把磁阻传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态,这可以通过将大电流脉动(3.5A,2us)通过S/R电流带实现。S/R电流带看起来像加在SR+和SR-引脚之间的一个电阻。S/R电流带与偏置电流带不同,因为它是以垂直轴或不敏感的方向磁耦合到磁阻传感器上的。任何低于额定电的流脉冲信号都会导致无法置位传感器并且不会得到   的灵敏度。设计置位/复位脉冲电路的方法如图3所示:其中采用MAX662A作为5V至20V的电压转换器。

  利用S/R电流带,可以消除或减少许多影响,包括:温度漂移,非线性错误,交叉轴影响和由于高磁场的存在而导致信号输出的丢失。这可通过下列过程实现:

  ?电流脉冲,I置位,可从S/R+引脚施加到S/R-引脚以实现“置位”条件。电桥输出作为Vout(置位)储存起来。

  ?在S/R引脚内施加相等但相反的另一个脉冲可实现“复位”条件。电桥输出作为Vout(复位)储存起来。

  ?Vout可以表达为Vout=[ Vout(置位)-Vout(复位)]/2。此方法可以消除由电子器件以及电桥温度漂移导致的偏置和温度影响。

  3.3 信号调理和A/D 转换电路

  信号调理和A/D转换电路如图4所示。注意AMP04的1脚8脚之间跨接1K的电阻(调节增益), 8脚和6脚输出之间跨接1.5nF的电容。

  图4 信号调理和A/D转换电路

  图4采用ADI公司生产的高   单电源运算放大器AMP04,通过设置Rgain大小为1 K Ω ,可得Gain = 100 K Ω /Rgain=100;同时使用精密带隙电压基准LM4140-2.048为AMP04引脚5(Vref)提供基准电压,使得AMP04输出电压满足VOUT = (VIN+ – VIN–) × Gain + VREF。

  A/D转换器采用TI公司的单通道16位SAR A/D转换器TLC4541。当基准电压为4.096V时,可以直接接收从0~5V的信号,可实现16位无误码输出。本项目使用精密带隙电压基准LM4140-4.096为TLC4541 2脚参考电压输入端提供外部基准电压。

  对于AMR磁阻传感器(HMC1022), 在半桥上的2.5伏输出端子具有从-10mV至+11.25mV(Vo+至Vo-所测定的)的电桥偏置电压。这一电桥偏置电压范围可标准化为-2mV/V至+2.25mV/V。对于车辆检测应用而言,在任一传感器电桥上测得的   地磁场值约为625毫高斯。因此,HMC1022的灵敏度规格为0.8~1.25mV/V/高斯时,当电桥工作电压为5V时,任一电桥上   可能的地磁场激励可能为+/-3.9mV。当把+/-3.9mV加到可能的电桥偏置电压-10mV至+11.25mV上时,偏置却变为-13.9mV至+15.15mV。因此要将这个电桥输出电压进一

  步放大至模拟-数字转换器(ADC)的0V至4.096V输入范围。

  综上所述:2.048+(-13.9mV× 100)~2.048+(15.15× 100) 《 0~4.096V;同时分辨率为(4.096V/2 /100)/(5V 1.0mv/V/gauss) = 0.125mgauss 满足设计条件。

  3.4 ARM 微处理器模块

  微处理器采用ATMEL公司针对系统控制,通讯领域推出的基于ARM920T内核的32位RISC处理器AT91RM9200。本项目中AT91RM9200模块部分如图5所示:

  图5 AT91RM9200 系统应用框图

  ARM微处理器模块由AT91RM9200,NorFlash,SDRAM,LDO电源,复位电路共同构建。本系统选用Intel StrataFlash Memory(J3) JS28F128J3D75 (16Mbyte)构建16位FLASH存储器系统;同时选用两片Hynix HY57V281620A (16Mbyte)并联构建32位SDRAM存储系统。

  3.5 与路口前端管理设备通信部分

  该部分包括10/100M Ethernet部分及CAN-Bus部分。10/100M Ethernet部分如图6所示:

  AT91RM9200以太网MAC是OSI参考模型物理层(PHY)与逻辑链路层(LLC)间MAC子层的硬件工具。它使用以太网IEEE 802.3u 数据帧格式控制在主机与PHY 层间的数据交换。

  它通过与MDIO/MDC 引脚连接来对PHY 层进行管理,在本项目中使用DAVICOM公司的10M/100M PHY层收发芯片DM9161E,需要注意的是Ethernet部分PCB设计中模拟数字电源地分开(模拟数字电源用100uH的电感加上0.1uF电容组成的型滤波器分开π ,特别要注意的是LT1085CT-3.3输出要用22uF钽电容滤波给DM9161E部分整体供电)。

  CAN总线收发部分如图7所示:

  由于AT91RM9200本身没有CAN控制单元,所以采用NXP公司的独立CAN控制器SJA1000T,它支持CAN2.0A的11位ID模式和CAN2.0B的29位ID模式。同时采用致远电子的CTM1050T作为隔离CAN收发器模块,它完全符合ISO 11898标准的CAN收发器,隔离电压DC 2500V。需要注意的是AT91RM9200的地址数据线是分开的(没有ALE信号),所以针对SJA1000T的应用要注意先产生ALE信号和地址信号,再收发数据。

  4 软件设计

  4.1 软件主要功能

  软件的主要功能如下:

  (1)系统上电后,Boot它从JS28F128J3D75 Flash启动,完成ARM微处理器模块的各个部分的初始化,负责将Flash中的U-Boot.gz解压到HY57V281620A SDRAM中,然后通过UBoot来引导Linux-2.4.27及Ramdisk。

  (2)实时检测和处理AMR磁阻传感器(HMC1022)传入的磁场改变(由于车辆通过)的信息,并通过固定的算法来确定是否有车辆通过,及车辆通过的方向。并且将有关信息通过网络发送给管理中心或者通过CAN总线发送给路口前端管理设备,以便得到合理的交通信息后对路口交通状况作出响应;

  (3)实时接收管理中心网络发来的命令,在对命令的类型进行自动处理和判断后实现相应的功能;实时接收路口前端管理设备发来的命令,在对命令的类型进行自动处理和判断后实现相应的功能;

  (4)在设备架入点的磁场受到强磁场(大于10高斯)影响时,通过置位/复位电流带通过大电流脉动(3.5A,2us)来强迫传感器以高灵敏度模式工作;同时利用Vout=[ Vout(置位)- Vout(复位)]/2此方法可以消除由电子器件以及电桥温度漂移导致的偏置和温度影响;

  (5)由于地球磁场在很广阔的区域内是一定的,所以利用路口多个检测设备的CAN总线通信,来判断某个设备的检测功能失效,并且通知管理中心和路口前端管理设备;

  (6)能够每隔一定的时间把路口的检测流量信息,备份到Flash存储器中,以便以后使用;能够每隔一定的时间检测设备本身的工作是否正常;

  4.2 软件架构

  整个软件采用嵌入式操作系统Linux作为设备功能实现上的主要载体。Linux是多任务操作系统,在软件整体划分上主要分为八个线程,运行时各个线程并行工作。各个线程之间的关系如图8所示:

  这八个线程分别为:

  ▲ 磁阻传感器检测线程,负责将AMR磁阻传感器(HMC1022)检测到的数据,通过一定的算法来判断车辆信息

  ▲ 检测结果传输线程,负责将得到的结果通过网络传给主控制中心

  ▲ 检测结果交换线程,负责将得到的结果通过CAN网传给路口前端管理设备,同时接收路口前端管理设备返回的数据

  ▲ 网口接收线程,负责接收和处理主控制中心通过网口下发的指令和数据

  ▲ 设备工作环境正常监控线程,负责如果发现受到强磁场(大于10高斯)影响,来强迫传感器以高灵敏度模式工作

  ▲ 多个设备交换数据线程,通过CAN网负责多个设备的互相通信,来监控单独某个设备的工作情况

  ▲ 设备自检线程,负责检测该设备本身的工作是否正常

  ▲ 参数备份线程,负责备份检测结果,以便以后   性调用参考

  下面主要介绍磁阻传感器检测线程的算法。

  当双轴磁传感器放在距地面1英尺高的位置,X、Y敏感轴方向为北-南和西-东方向。当车辆沿着北-南方向行驶(即传感器的敏感轴沿着行驶方向),可以检测出车辆的行驶方向。车辆是由北-南方向行驶,那么磁场计首先“看到”的是减弱的磁场,从传感器的初始值开始,续之而来的   个畸变是曲线偏向负方向。当车辆正好与传感器成一条线时,通过车辆的磁场变化量与开始时类似,传感器输出曲线返回到初始值。当车辆继续向南时,磁力线将沿着敏感轴的正方偏向车辆。所以传感器的输出将会在初始值的基础上增大。当车辆远离传感器的时,传感器输出恢复到初始值。当车辆倒车开回,从反方向接近传感器。这部分的曲线正好是   部分曲线的镜反射。通过对该曲线进行平滑处理后,可以用来指示车辆的存在。

  同时,检测信号强度衰减得非常快,通过建立合适的阀值,可以滤掉旁边车道的车辆或远距离车辆带来的干扰信号。实际上该设备具有很高的检测分辨率,能非常详细的描述出车辆的磁信息,输出波形会随车型的不同而不同,对输出变量进行模式识别和匹配运算,不仅可以判断出车辆的存在,行驶方向而且可以识别车型。

  该算法需要注意的是消除电桥偏置电压的影响。电桥偏置电压是输出节点Vo+和Vo-的电压差(单位伏特)的结果,主要是由每个传感器元件的   电阻值误差引起的。电桥偏置电压对AMR传感器系统的设计具有一定的影响,不仅仅只是偏置了输出电压。在传感器电桥后设计连续的电压放大级时,必须将该偏置电压公差,添加到磁场激励的AMR电桥所期望的输出电压范围中(设计的关键是电压放大级的输出要在选用ADC的正常输入范围之内,如3.3所述)。该线程流程如图9所示:

  设备复位后,首先完成各个硬件模块的初始化工作;其次完成与路口前端管理设备的通信及与管理中心的通信;当通信正常后设备自身完成HMC1022的置位脉冲和复位脉冲,分别读取V置位和V复位;计算出V电桥偏置;然后设备正常抽样,通过算法完成检测功能;同时设备正常工作期间要完成互相检测和自我检测功能,并且把结果反馈给管理中心及路口前端管理设备。需要注意的是,如果电桥偏置检测不正常或者多个设备环境磁场数据比较不正常,需要与路口前端管理设备和中心管理者通信,然后由它们通知给设备,通过置位/复位电流带重新读取磁阻传感器电桥偏置电压,如果仍然不正常,由中心通知有关部门来维修设备。

  结语

  基于AT91RM9200 的AMR 磁阻传感车辆检测系统作为交通流量信息发布系统的“眼睛”具有极高的检测   ,同时该设备本身性能稳定可靠,可扩展性好,资源利用率高。AMR磁阻传感器是利用地球磁场在铁磁物体通过时的变化来检测,所以它不受气候的影响;非车辆的铁磁性物体通过时通过对数据库的查询可以避免误检;容易集成化。


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