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最近研究了隧道磁阻式傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)MR）在汽車(chē)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，它是一種根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)制成的新型傳感器，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電力電子、磁信息讀寫(xiě)、工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域。TMR將車(chē)輛引起的地磁擾動(dòng)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為電平的變動(dòng)，從而輸出可供處理器分析的信號(hào)。

本文根據(jù)隧道磁阻式傳感器的原理及在交通監(jiān)控中的具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)一款基于隧道磁電阻芯片MMLP57F和nRF無(wú)線單片機(jī)的車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)由信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)執(zhí)行五個(gè)模塊組成，可有效而準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)路面流量、車(chē)速和車(chē)行方向等基本信息，具有安裝方便、集成度高、接口簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

一、系統(tǒng)概述

基于TMR的車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)可分為以下幾個(gè)模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

信號(hào)檢測(cè)模塊。本設(shè)計(jì)選用（TMR）隧道磁電阻傳感器，檢測(cè)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)引起的磁場(chǎng)物理量的變化，并將該變化轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)送入信號(hào)預(yù)處理模塊。

信號(hào)預(yù)處理模塊。對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，主要是抑制共模干擾，并對(duì)電平信號(hào)進(jìn)行差分放大，之后進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)中nRF無(wú)線單片機(jī)內(nèi)置最高14路ADC，無(wú)需外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

信號(hào)處理模塊。nRF無(wú)線單片機(jī)對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理，設(shè)計(jì)濾波算法降低信號(hào)干擾、提取特征值，為檢測(cè)算法提供有效的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)執(zhí)行模塊。經(jīng)過(guò)算法處理后得到的數(shù)據(jù)，由控制單元控制執(zhí)行器做出相應(yīng)的操作，例如設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)檢測(cè)車(chē)輛有無(wú)、車(chē)輛行駛方向；多個(gè)傳感器同時(shí)使用時(shí)，還可以做車(chē)速檢測(cè)算法；除此以外，還可以配置單片機(jī)的串口發(fā)射端，將數(shù)據(jù)存入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等等。

數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)模塊。本系統(tǒng)使用串口與PC機(jī)通信，使用串口助手的數(shù)據(jù)保存功能，最后用MATLAB進(jìn)行波形恢復(fù)和簡(jiǎn)單的濾波，可得到傳感器輸出電壓與車(chē)輛狀態(tài)的關(guān)系。

圖 1 車(chē)輛檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖

二、車(chē)輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分:數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分；從各個(gè)模塊的功能上可分為: 3.3V電源模塊、信號(hào)采集模塊、信息檢測(cè)模塊、基于單片機(jī)串口的數(shù)據(jù)傳輸模塊及可視化軟件模塊。圖2給出了磁阻傳感器車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

圖2 磁阻傳感器車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 三軸地磁傳感器模塊Vehicle Detection Module

地球具有磁性，地球的周?chē)植贾艌?chǎng)，而磁性的物質(zhì)在磁場(chǎng)中會(huì)引起磁場(chǎng)的擾動(dòng)，使磁力線被扭曲。汽車(chē)主要由磁導(dǎo)能力好的金屬構(gòu)成，因此會(huì)對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)。地磁場(chǎng)在提供背景磁場(chǎng)的同時(shí)，也產(chǎn)生了磁偏，磁偏分量會(huì)影響檢測(cè)的精度。在實(shí)際應(yīng)用中必須先把磁偏分量消除，只獲取因車(chē)輛而產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，將此變化量轉(zhuǎn)化為變化的電平信息。

基于TMR地磁傳感器的車(chē)輛檢測(cè)模塊能感應(yīng)車(chē)輛對(duì)地磁的擾動(dòng)，通過(guò)計(jì)算和判斷獲取車(chē)輛的磁場(chǎng)信息。下表是檢測(cè)模塊Vehicle Detection Module的基本描述：

Vehicle Detection Module三軸傳感器模塊，搭載MDT公司的MMLP57F隧道磁電阻芯片，和用作差分放大的放大器MCP6N11，輸出模擬電平信號(hào)，電平的幅度隨周?chē)艌?chǎng)的變化而變化。根據(jù)芯片的文檔資料，在正確使用模塊前需做以下操作：

安裝模塊隧道磁電阻傳感器，確保在使用過(guò)程中沒(méi)有任何松動(dòng)或變動(dòng)；

在無(wú)車(chē)環(huán)境下設(shè)置背景磁場(chǎng)；預(yù)設(shè)靈敏度為20（100mG）；

在有車(chē)/無(wú)車(chē)環(huán)境下讀取模塊狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，據(jù)此判斷靈敏度的合適程度，如有需要可調(diào)整靈敏度后再測(cè)試直到合適為止；

最后保存設(shè)置。

2.1.1磁阻傳感器MMLP57F與差分放大器MCP6N11

圖3中給出了Y軸部分傳感器的電路圖，使用3.3V供電，其中C9、C10為電源旁路電容，濾除高頻噪聲。VNY和NPY為MMLP57F隧道磁電阻傳感器的差分電壓輸出，與電容C12、C13、C14耦合輸入MCP6N11差分放大器的VIM和VIP引腳進(jìn)行放大，輸出電平VOUT。