磁阻車輛檢測器的低功耗設計

隨著經濟的發展，城市交通問題越來越嚴重，交通擁堵、交通事故頻發是影響城市交通安全運行的主要因素。利用車輛檢測技術，對車輛進行引導、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生。

車輛檢測器是檢測交通流的主要部件。當車輛通過檢測器時，車輛影響地磁場在檢測器周圍的磁力線分布。磁阻車輛檢測器檢測周圍磁場變化，根據磁場變化檢測車輛的信息。通過無線網絡將數據傳輸至控制中心，通過車流量信息控制匝道口的開放與關閉，實現交通流的控制。車輛檢測器埋于地下，車輛檢測器的使用壽命問題是影響系統推廣的主要因素，因此實現低功耗、長壽命是實現車輛檢測器系統實際應用價值的必要條件。

為了延長電池供電系統工作壽命，常見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喚醒機制，但喚醒的時間間隔不能過長，否則傳感器不能及時響應，導致數據丟失的發生。因此不論有無讀取信息需求，系統都要進行定時查詢，造成能量消耗，另外定時喚醒需要時鐘電路工作，這意味著MCU不能進入徹底休眠狀態，導致定時喚醒機制不能達到最佳的節能效果[2]。本文針對這一問題，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行分析，同時利用低功耗的ZigBee網絡技術實現數據傳輸，將系統功率消耗降至最低。ZigBee技術是一種低功耗、低復雜度、低數據傳輸速率、近距離、低成本的雙向無線通信技術，適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入到各種設備中，利用ZigBee網絡實現車輛檢測數據傳輸，具有低成本、低功耗、網絡結構簡單等優點[3]。

1 系統功耗分析

1.1 系統組成

車輛檢測器主要由傳感器、信號調理、無線數據收發和中央控制器組成，系統結構如圖1所示。

車輛檢測器埋于路面之下，以磁阻傳感器感應車輛通過，產生微弱電壓信號，電壓信號經過處理后，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生時刻t，與車輛通過傳感器兩個不同車軸產生中斷信號的時間間隔Δt，根據兩個參數可以計算出車輛軸距與車速等信息。

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無線收發三部分，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行放大，根據信號的波動強度調節放大倍數，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足放大要求時，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，消耗的功率不同。數字電路消耗功率主要包括動態功率與靜態功率。靜態為“0”或“1”的恒定狀態，即當電路狀態沒有進行翻轉(保持高電平或低電平)時，電路功耗屬于靜態功耗；而動態為“0”“1”的跳變狀態，即電路翻轉狀態時，產生的功耗為動態功耗[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為靜態時由電源流向電路內部的電流；ITC為脈沖電流的時間平均值；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工作狀態。