磁阻車輛檢測器的低功耗設計

周曉慶 ，蔡伯根 ，2，王 劍 ，2，上官偉 ，2

（1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

磁阻車輛檢測器的低功耗設計

周曉慶1，蔡伯根1，2，王 劍1，2，上官偉1，2

（1.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

針對磁阻車輛檢測器的功耗進行分析，采用優化休眠降耗法、降頻降耗法兩種低功耗方案，有效降低了檢測器功率。

休眠降耗法；降頻降耗法；磁阻車輛檢測器；ZigBee

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。

圖1 車輛檢測系統組成

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。

表1 影響系統功耗因素

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。

1.2.3 無線射頻模塊

數據傳輸部分是系統主要的能量消耗模塊，數據傳輸速率、發射功率是影響無線傳輸模塊的主要因素[6]。發射功率越大，數據傳輸波特率越高，模塊消耗功率就越大。

2 低功耗設計

2.1 休眠降耗法

當系統空閑時，利用休眠功能，系統進入低功耗狀態，中斷的產生會使MCU退出低功耗模式。在具備中斷情況下，MCU可以在整個過程中保持睡眠狀態，只有產生中斷時才被激活，處理器與無線射頻在休眠狀態時，功耗較低。以MSP430系列單片機與射頻芯片CC2520為例，休眠功耗大約只有幾微安[7]。

為了確定方案的可行性，對中斷方式的兩種極端檢測方式進行分析：

（1）誤差計算

①假設車輛最高時速為200 km/h（即55.6 m/s），車長為2 m，車輛通過傳感器的時間t=2/55.6=36 ms。MCU與射頻電路由睡眠狀態喚醒需要的時間為0.2 ms，誤差為0.2/36=0.56%，誤差較低，如果在軟件中加入校正，此誤差在理論上為零。因此，車輛在高速運行狀態下，中斷啟動方式可以實現。

②假設車速為 30 km/h（即 8.3 m/s），車輛通過傳感器的時間t=2/8.3=241 ms，MCU與射頻電路由睡眠狀態喚醒需要的時間為0.2 ms，誤差為0.2/241=0.09%。因此，誤差很低可以忽略不計。

由以上分析可知，此方法誤差很小，利用此方式對系統測量誤差影響很小，方法可行。

（2）功耗分析

①假設車速200 km/h，車輛安全間距為 200 m，因此MCU和射頻芯片間歇時間為200/55.6=3.6 s，而MCU與射頻電路正常工作時間僅為t=2/55.6=36 ms，采用此方法可以將功率消耗減少到0.036/（3.6+0.036）=1%。降低功耗效果明顯。

②假設車速為 30 km/h（即 8.3 m/s），安全距離為30 m，處理器與無線射頻間歇時間為30/8.3=3.6 s，工作時間為t=2/8.3=241 ms，則功率消耗降低為0.241/（0.241+3.6）=6.3%。

由以上分析可知，利用MCU與射頻芯片的休眠功能，可以很大程度上降低系統消耗功率，特別是在高速路段，可以將系統消耗功率降低為原來的1%，且即使車輛在低速運行過程中，功率也能降低為原來的1/16。

2.2 降頻降耗法

MCU的耗能主要與其工作電壓和工作頻率有關[8]。MCU消耗功率P與工作電壓和工作頻率的關系可由如下公式得到：

其中C為系統的負載電容，V為電源電壓，f為系統工作頻率。由公式可以看出，電源電壓的大小對系統功耗影響很大（以二次方的形式增加），其次是系統的工作頻率和系統負載電容。一般系統的負載電容難以控制，所以，在不影響系統工作性能的情況下，選用較低的工作電壓和工作頻率可以有效地降低系統的功耗。

以MSP430單片機為例，MSP430系列單片機具有雙時鐘的特性，當系統工作頻率為4 kHz、工作電壓為3 V時，MCU消耗電流最大為32 μA，是系統頻率為1 MHz時消耗功率（595 μA）的 1/18，功率降低明顯。

可行性分析：傳感器輸出的數據波形需要利用波形寬度和波峰位置信息，如果不用A/D也可獲得這兩種信息，可以通過降低MCU主頻來降低功耗。該方法的核心問題是尋找替代A/D的測量方式。

一般傳感器檢測到的信號波形類似于正弦波，波形通過一級高增益放大器放大波形進行波形轉換，放大器輸出峰值為3.3 V的類方波，系統省略一級波形轉換電路，利用中斷方式觸發MCU。當放大器輸出電壓值達到1.8 V時，MCU將其判斷為高電平，即可觸發MCU產生中斷，MCU利用測周期方法測量類方波的寬度，并計算出兩個波峰間距。各個模塊的信號波形如圖2所示。

圖2 各個模塊的信號波形

假設車輛最高時速為 200 km/h（即 55.6 m/s），車身長為2 m，車輛通過傳感器的時間為t=2/55.6=36 ms。MCU采用主頻4 kHz運行，系統測量誤差為1/4 000=0.25 ms，因此測量寬度為36 ms的波形誤差為 0.25/36=0.7%。Δt大約為整個波形周期的1/20，而此部分可以利用軟件補償，理論上此誤差為零。

2.3 軟件低功耗設計

軟件低功耗的設計目的就是充分利用應用所允許的最深睡眠狀態，確保芯片盡可能長時間地保持在這一狀態下。軟件協議降低功耗主要從以下幾個方面設計：（1）構建低功耗的無線傳感器網絡節點；（2）根據終端節點與接入點之間的距離，利用功率控制技術智能調節發射功率，以降低節點無線通信模塊的能量消耗。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

3 實驗結果

車輛經過檢測器，系統由休眠狀態喚醒，讀取當前時刻值，測量兩次中斷寬度，將信息數據發送至網絡父節點。每次中斷喚醒，系統向其父節點發送一幀包含車輛信息的數據包，因此，只有在喚醒狀態下，系統功率消耗才會增加。通過實驗，得到功耗降低明顯，在10 min測量時間內，有休眠與無休眠電流曲線比較圖如圖4所示。

圖4 有休眠和無休眠電流曲線比較圖

降低系統功耗不但可以節約能源，而且可以減小硬件體積、延長硬件使用壽命，因此低功耗設計越來越受到人們的重視。低功耗在系統硬件設計及軟件設計、器件的工藝設計等方面具有較明顯的效果。本文分析了車輛檢測器電路功耗特性，提出了休眠降耗法和降頻降耗法，實驗結果證明這兩種方法降低系統功耗明顯，即使在繁忙的工作時段也能降低70%以上的功耗，從而延長終端節點的使用壽命，使系統更具有實用性。

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Low power design of magnetic vehicle detector

Zhou Xiaoqing1，Cai Baigen1，2，Wang Jian1，2，Shangguan Wei1，2

（1.School of Electronics and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

This paper analyzes the power consumption of the magnetic resistance vehicle detector，proposes two methods to reduce power consumption，which are dormancy reducing power and reducing the frequency to save the power.It reduces the endnode power consumption effectively by using the two methods.

dormancy reducing power；reducing frequency；magnetic vehicle detector；ZigBee

TP302

A

1674-7720（2011）01-0059-04

2010-05-20）

周曉慶，男，1986年生，碩士研究生，主要研究方向：交通信息工程及控制。

蔡伯根，男，1966年生，教授，主要研究方向：GNSS、GIS技術及其在交通中的應用研究、信息融合理論與技術、慣性導航與定位技術、智能控制。

王劍，男，1978年生，博士，講師，主要研究方向：基于衛星定位技術在交通領域的應用研究。