（计算机应用技术专业论文）智能泊车管理系统的设计与实现.pdf

摘要 我国汽车保有量的爆发式增长和城市用地的极度紧缺 造成我国大中城市普遍存在 停车难 问题 这种紧迫的形势促成了泊车产业的发展 然而目前国内的停车场管理 技术普遍低下 造成了泊车管理的困境 这成为城市静态交通管理的短板 利用信息技 术对现有的停车场所进行改造 建立智能的泊车管理系统有利于改善目前的城市交通状 况 本文依托西安市智能泊车项目 从技术层面提出了一套城市智能泊车管理系统的解 决方案 致力于以信息化的手段统筹管理全市的公共停车场所 为此需要在每个城市设 立一个泊车管理中心 中心采用网络化的计算机管理平台统筹管理全市的停车场所 并 根据停车信息对全市停车流进行有针对性的诱导 要达到这一目的则必须要实现对停车 场停车状态信息的采集和传输 即要建设一套城域范围的车辆存在传感器网络 本文即 以此问题作为核心内容 所涉及到的技术关键点包括 研发一种新型的车辆存在传感器 在停车场现场建立起一套嵌入式的多级传感器网络 以现有的以太网技术为基础 实现 停车场现场系统与智能泊车管理中心的远程通信方案等 最终建立起一套完整的信息采 集传输系统 除此之外文中还涉及到了停车场泊车信息应用的概念 如泊车诱导系统 计时收费 系统 泊车信息发布系统等 这一部分以概念方式提出 为后续的应用开发作铺垫 关键词 智能泊车管理系统 嵌入式系统 巨磁传感器 r s 4 8 5 n u t o s 以太网 a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o s i v eg r o w t ho ft h er e t a i nn u m b e ro f a u t o m o b i l e sa n dt h es h o r t a g eo fl a n d t h ep a r k i n gp r o b l e m sa r ew i d e s p r e a di nc i t i e s t h i su r g e n ts i t u a t i o nl e dt ot h ed e v e l o p m e n to f p a r k i n gi n d u s t r y h o w e v e r t h ep a r k i n gm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi sb a c k w a r di nc h i n a w h i c h l e dt ot h ep l i g h to fp a r k i n gm a n a g e m e n t u s i n gt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt ot r a n s f o r mt h e e x i s t i n gc a rp a r ka n de s t a b l i s ha ni n t e l l i g e n tp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mh e l p st oi m p r o v et h e c u r r e n tu r b a nt r a f f i cc o n d i t i o n s r e l i e do nt h ei n t e l l i g e n tp a r k i n gp r o j e c ti nx i a n t h i sp a p e rp r o p o s e das o l u t i o nc a l l e d i n t e l l i g e n tp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e m t h es y s t e mc a np r o v i d ea ni n f o r m a t i o n a l i z e da v e n u e t om a n a g ea l lp u b l i cp a r k i n g l o t si nt h ec i t ye f f i c i e n t l y f o rt h i s w en e e dt os e tu pa n i n t e l l i g e n tp a r k i n gm a n a g e m e n tc e n t e r i p m c i ne a c hc i t y t h ei p m cw i l lm a n a g ea l lt h e p u b l i cp a r k i n g l o t sb yc o m p u t e rn e t w o r ka n dp r o v i d es t a t ei n f o r m a t i o n so fp a r k i n g l o t st o d r i v e r s w h i c hc o u l dg u i d et h ec a rt ot h ef i g h tp a r k i n g l o t t oa c h i e v et h i sg o a l a ni n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sn e c e s s a r y s ow en e e dt ob u i l dav e h i c l es e n s o rn e t w o r k i nm e t r o p o l i t a na r e a t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h ei s s u em e n t i o n e da b o v e a n dt h ek e yp o i n t s i n c l u d e d e v e l o p i n gan e wt y p eo fv e h i c l es e n s o r s t oe s t a b l i s ham u l t i l e v e lv e h i c l es e n s o r n e t w o r ki ne a c hp a r k i n g l o t r e a l i z i n gt h et e l e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep a r k i n g l o t sa n d i p m cb ye t h e m e tt e c h n o l o g y a n du l t i m a t e l ye s t a b l i s ha c o m p l e t es y s t e m i na d d i t i o n t h i sa r t i c l ea l s oi n v o l v e st h ea p p l i c a t i o no ft h ec a rp a r k i n gi n f o r m a t i o n s u c h a sp a r k i n gg u i d a n c es y s t e m t i m e b i l l i n gs y s t e m p a r k i n gi n f o r m a t i o np u b l i s hs y s t e m e t c t h i s s e c t i o ni so n l ya c o n c e p t w h i c hi st op a v et h ew a yf o rt h ef o l l o w u pa c t i o n s k e y w o r d s i n t e l l i g e n tp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e m e m b e d d e ds y s t e m g m rs e n s o r r s 一4 8 5 n u t o s e t h e m e t h 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景和研究意义 第一章绪论 随着我国经济的持续高速发展 近年来我国汽车保有量 特别是小型车保有量迅速 增加 有车就需要停车 伴随着我国汽车保有量的高速增长而来的是停车位的严重不足 和停车场管理的混乱无序 停车难已成为我国城市交通领域的一大难题 1 捌 我国的停车难主要表现在以下几个方面 3 4 1 泊车位供需矛盾突出 2 泊车管理技术的落后 3 泊车管理政策的缺失 4 泊车收费不合理造成的大量的不良泊车行为 这四个原因 除第一项为客观制约条件外 其余均为管理方面的原斟5 1 这意味着 停车难 不仅是客观条件上不可调和的矛盾 而更多的则是管理方面的主观原因 因 此解决停车难首先应从管理入手 这一点在我国的政府机关 经济界 学界已经达成了 广泛的共识 停车计时收费 停车服务产业化 停车管理技术信息化己成为业内讨论的 执占1 6 v 停车管理技术的创新 特别是停车管理技术的信息化和智能化可以为城市静态交通 的现代化管理提供先决条件 为政策提供信息依据 为计时收费 规范化收费提供技术 保障 因此泊车技术的信息化和智能化成为解决目前城市交通停车难困境的一个迫切的 要求 例如西安市在2 0 0 6 年出台了 西安市机动车停车场 库 管理办法 和 西安 市人民政府关于印发西安市机动车停放服务收费管理办法的通知 文中明确规定了停 车场管理的制度规范 但受制于现有停车管理的技术条件 到目前为止其中一些规定仍 难以有效执行 如计时收费 停车诱导 安全保障等措施 同时这也是本课题所要解决 的重点问题 通过信息技术改造现有停车场 可以达到统筹全城的停车信息 合理调控停车流 精确计时收费 避免违规收费 监控车辆状况 保障停车安全 诱导快捷停车 减少停 车等待时间 降低交通污染 提高管理效率 减轻劳动强度等目的1 7 第一章绪论 1 2 国内外研究状况 1 2 1 停车场类型 目前现有的停车场可分为封闭式和开放式两种 其中封闭式停车场是一种特殊的停 车场模型 有限的出入口使得管理模型较为简单 封闭式停车场采用门禁管理的形式 可采用撕票或刷卡等方式实现收费 由于停车模型较为规范 因此停车管理也较容易实 现 然而封闭式停车场对场地要求较高 数量有限 其技术对于大量的路边 广场等开 放式停车场并不适用 开放式停车场多设立在路边 广场等开放式的公共场所 这些停车场的场地状况较 为复杂 没有较为规范的出入口 停车位的分布通常也较为分散 这给停车场管理带来 很大的不便 主要表现在 停车状况监测不便 收费困难 难以有效计时等 然而开放 式停车场对场地要求低 实现成本低 因而构成了目前城市公共停车场的主体 由于这 两方面的原因 开放式停车场管理系统的建设显得尤为重要 本课题的研究对象正是这种开放式停车场的智能泊车管理 那么如何实现开放式停 车场管理的信息化和智能化呢 我们首先分析一下国内外现有的停车场管理技术 1 2 2 我国目前现有的停车管理技术 目前 停车场管理的技术手段综合起来可归结为两大块 停车收费系统和停车诱导 系统 其中又以停车收费系统为重点 1 停车管理和收费系统 我国现有的停车收费手段以人工收费为主 这种方式的灵活性较高但弊端很大 表 现在 无法实现计时收费 且收费不合理 管理人员难以监督 容易出现以权谋私等现 象 工作人员劳动强度大 停车信息无从知晓 这是一种亟待淘汰的管理模式 部分停车场采用了较为先进的咪表收费 咪表先后经历了机械式和电子式两种 前 者属于机械结构 投币收费 8 这种咪表在投币后自动计时 计时时间到需要立即缴费 或者离开 计时模式死板 这对于无法预知停车时间的车主来说是很大的负担 并且机 械式设备易损坏 难以维修 可靠性差 硬币识别和回收难度都很大 目前已很少见 9 1 电子咪表是机械咪表的改进型 采用了现代电子技术 刷卡收费 但也存在着信息采集 困难 计时模式单一等缺尉1 0 1 2 长安大学硕七学位论文 2 停车诱导系统 目前我国的停车诱导系统仍以停车标志牌为主 这种方式存在着很大的弊端 不够 醒目 光照条件差时难以发现 作为静态的标志 不能反映现场停车状况 信息发布区 距离有限 部分停车场采用了光电技术的l e d 引导牌 然而其可视距离仍有限 并且 其作为一个单一的模块 仍然不能进行停车信息的实时发布 仅仅是虚有信息技术之表 而无其实 由此可见我国的停车场管理技术仍较为落后 普遍没有实现信息化和智能化 然而 近年来也出现了一些有益的探索 目前国内对停车场智能化管理做的比较好的地区有海 南 广东等 海口是国内最早建立泊车手机付费系统的城市之一 这种泊车系统采用了 计时收费 手机缴费的管理方式 采用这种系统的停车场 停车操作简便快捷 计费结 算精确透明 用户帐户资金管理安全可靠 避免了过去咪表管理中存在的欠费 吃卡等 现象的出现 但是该系统在功能上比较单一 表现在 没有实现对车辆自动监控 仍然 需要依靠管理员监管 仅仅支持手机付费等 但整体来说 该系统为我国的智能泊车系 统进行了探索性的开拓 其成功经验值得借鉴 但总体来说我国大部分地区的停车管理技术仍旧十分陈旧 集中表现在 管理技术 善 均没有实现对停车位状态的实时监控 没有停车信息的采集和储存 更谈不上信息共享 各个地区 甚至同一地区的不同停车场各自为政 技术手段杂乱 安全性和可靠性也没 有统一的标准 单纯模块化研究 没有形成一套完整的管理系统 1 2 3 国外停车管理的一些先进技术 最早的停车场管理技术源于德国 早在1 9 7 1 年 德国的亚琛市已建立了停车诱导系 统 其后日本 欧美等国家也开始大力发展停车管理技术 到目前为止发达国家的停车 管理技术己取得了长足的进步 也进行了许多前瞻性的研究和应用 欧美早期也是采用的咪表收费管理 但随着其缺点的逐渐暴露 也已进入淘汰的阶 段 现在欧美的做法是利用信息技术对传统停车场进行改造 通过车位下埋设的传感器 或者其它监控手段采集每个停车位信息 并加以收集利用 采用手机计时扣费的方式代 替传统缴费模式 并可通过现有的网络发布停车场信息 诱导停车流 方便车主查询 并支持车位约租服务 以美国加利福尼亚州旧金山市的斯巴克泊车系统为例 其采用的技术是目前所发现 第一章绪论 的最为先进的停车场管理技术 这套系统通过传感技术感知车位状况 每辆车在驶入车 位时是都会用唯一的手机号码注册停车 计时收费 可以通过手机 网络发布停车信息 这套系统可以实现高效的管理 极大地节约了人力投入 具有了智能泊车管理系统的基 本特征 是现代化的停车场管理技术的发展方向 作者本文的目的即是借鉴已有的停车场管理技术 并根据我国的实际情况 加以改 进和完善 以建立一套较为完善的停车场智能管理系统 1 3 研究的主要工作 1 3 1 智能泊车管理系统的整体构想 通过对停车场模型和现有停车管理技术的分析 可以总结出智能泊车管理系统的基 本模型 即要实现停车场的智能管理 其核心在于对停车位状态信息的采集 并以此为 依据建设信息化的收费和引导系统 实现高效的统筹管理 因此作者提出了一种智能化 的停车场管理系统的完整模型 如图1 1 所示 图1 1 智能泊车管理系统的完整模型 这套模型主要包括以下几个方面如下 1 每一座城市设立一个停车场管理中心 统筹管理全城的公共停车场所 4 长安大学硕士学位论文 2 在每一个独立的停车场现场建设一套传感器网络 网络控制器通过埋设于停车 位下方的传感器实时监控整个停车场的停车状况 并能通过远程通信手段与管理中心上 位机进行通信 及时反馈该停车场停车状态 3 一个合理的多媒体信息发布平台 可通过网络 手机 广播 电视等方式发布 停车信息 诱导停车流 4 一套可靠易行的收缴费体系 利用测控网络反馈的停车信息计时收费 实现这一方案需要涉及到的关键技术问题包括 车辆存在传感器的实现 停车场信 息采集网络的实现 远程通信方案的实现 停车场现场停车诱导系统的实现 上位机管 理平台的实现 网络信息发布平台的实现 自动收费系统的实现等 1 3 2 本文的研究重点 依托西安市智能泊车项目 作者参与了该智能泊车管理系统的研发工作 主要负责 模型中的第2 个模块 即停车场现场传感器网络的实现 要实现这一传感器网络需要解 决的技术关键点包括 车辆存在传感器的研发 现场通信网络的建设 远程通信方案的 实现 以及各级嵌入式控制器的实现等 这一模块是整个智能泊车管理系统的最关键部分 它所提供的停车场泊车信息是其 它模块功能实现的根本依据 本文的研究重点即在于解决此核心问题 因此的主要内容 安排如下 第一章绪论 第二章系统分析与整体设计 第三章基于巨磁技术的车辆存在传感器的设计 第四章从控制器和r s 4 8 5 网络的实现 第五章主控器和以太网通信的实现 第六章系统的建设与总结 第二章系统分析与整体设计 2 1 系统总体方案 第二章系统分析与整体设计 智能泊车系统的总体设想是 在城市中设立一个统一的管理中心 并建设信息化的 管理平台 对全市停车场所进行统筹管理 并在停车场现场建立一个完整的测控网络 实时采集停车信息 具体包括 1 一个嵌入式的网络控制器 向上可通过以太网与控制中心上位机通信反馈停车 场停车状态 向下可通过现场总线网络监测每 个停车位停车状态 2 通过一个多级测控网络 建立起网络控制器与传感器的信息交换通道 3 研发一种灵敏可靠的车辆存在传感器 能有效地判别停车位是否有车辆停泊 并能通过现场总线将该信息返回给主控器 最终可确定系统的整体其模型如图2 1 所示 图2 1 系统整体结构示意图 2 2 车辆存在传感器现状及现实要求 现有的车辆传感器有磁感线圈 压力传感器 超声传感 雷达检测器 光电检测器 图像识别等几种类型 l l 1 磁感线圈技术最为成熟 应用也最为广泛 其原理是在车辆下方埋设金属线圈 6 长安大学硕t 学位论文 并对该线圈施加一定频率的震荡电流以产生稳定的震荡磁场 当车体金属物质进入该线 圈范围之后 会改变其固有的电感特性 从而影响震荡频率 传感器通过测量频率变化 即可感知是否有车辆存在 磁感线圈造价低 抗干扰能力强 稳定可靠 1 2 但布设中须开挖地表 为达到检测 精度和可靠性一般线圈的布设直径要求大于l 米 旅工和维护过程中对路面破坏较大 并且其通过对震荡频率计数进行 反应时间较长 因此在此项目中并不适用 2 压力传感器的原理是通过测量压变电阻的阻值变化来检测车辆的存在与否 l 3 1 然而由于路边公共停车场的路面情况复杂 驾驶员停车偏差 行人踩踏 会造成很大误 差 由于需要压力接触 长时间使用容易损坏等因素的影响 因此也不适用于本项目 3 超声传感器和雷达检测器则存在着精度差 环境适应性差 架设不便等缺点 主要用于测速和测距 1 4 如果埋设与地表以下 则又存在介质 土地和空气耦合面 穿 透的难题 1 5 j 也不适用 4 而图像识别技术并不成熟 复杂环境下误差较大 适应性差 架设不便 反应 较慢且造价高昂 因此也排除出考虑范剧1 6 1 因此在对比多种方案之后 本文提出了一种新型的车辆存在传感器 即巨磁电阻车 辆存在传感器 以下简称车辆传感器或传感器 的解决方案 巨磁电阻车辆存在传感器 是通过测量车体本身的铁磁介质对地磁场扰动产生的一定范围内的磁场变化 而达到感 知车辆是否存在于该区域的目的 并且它改变了以往磁性传感器只能检测动态磁场的缺 陷 可以稳定检测静态磁场强度 在使用时该传感器可埋设于车位地表以下 不与外界 进行直接接触 长时间使用不易损坏 体积小 安装调试开挖面积较小 且造价低廉 功耗小 稳定可靠 非常适合于本项目 其具体原理和实现将在第三章中详细阐述 2 3 局部通信方案 l 局部通信方案的要求 在停车场内部 主控制器与传感器之间需要有效的通信手段 以便车位占用信息可 以及时 可靠的传达至控制器 由于现场环境因素的限制 总线应具有以下特点 1 传输距离 停车场需要占据一定的面积 跨度一般介于5 0 2 0 0 米之间 因此要 求总线的有效传输距离应该稍大于这个上限 2 总线结构 由于总线设备呈树形分布 选用的总线应当支持主从结构的多机通 7 第二章系统分析与整体设计 信网络 3 高可靠性 由于道边停车场环境复杂 因此系统对信号抗干扰能力要求较高 对于计时收费系统来说 总线的可靠性可以保证收费的准确性 减少纠纷和损失 4 便于施工 由于公共场所施工难度的限制 应尽可能减小施工复杂度 减小路 表开挖面积 2 常见的现场总线标准 目前常见的现场总线标准有c a n p r o f i b u s l o n w o r k s 等 他们均具备o s i 模型中 的物理层和链路层协议 在2 0 0 m 传输距离下可以达到2 1 0 m b p s 不等的传输速率 且 支持多级网络 均符合系统的基本要求 但他们也同时存在着弊端 1 7 1 p r o f i b u s 采用了时间触发方式的令牌网协议组建多机网络 这种方式的致命弱点 是带宽利用率低 并且不能对总线会话做出及时反应 因此不适用于本系统 2 l o n w o r k s 采用了事件触发的随机载波监听 冲突检测方式 c s m c d 方式 这是一种对等网的通信协议 不可避免的会出现总线竞争 这与系统的主从方案并不吻 合 且效率较低 因此也不适用 3 c a n 则采用了载波监听多路获取 冲突避免 c s m a c a 方式 这同样是一种 对等网的协议 与c s m a c d 方式的不同点在于 c s m a c a 支持优先级 然而这对于 本系统并没有什么实质的帮助 由此可见这几种现场总线与本系统的通信模型吻合度并不高 因此会造成通信效率 的降低 同时这些总线的实现均需要特殊的总线控制器 成本也较高 因此均不太合适 而r s 4 8 5 串行总线标准具有传输距离较长 支持多机通信 抗干扰能力强 施工 简单等特点 且很容易通过单片机常用的u s a r t 接口实现 因此非常适合于复杂条件 下嵌入式测控网络设备之间的通信 1 8 综合以上几点 在本系统中选用r s 4 8 5 串行总 线 作为停车场内部总线网络 局域网内设备数量容积率可以通过组建多级测控网络来实现 在本系统中 考虑到 实际情况采用了二级r s 4 8 5 网络 2 4 远程通信方案 城市泊车管理系统以独立的城市为管理单位 停车场所分布于城市的各个角落 如 果为此系统单独的组建城域网 工程复杂度高 造价高昂 可行性低下 因此利用既有 8 长安大学硕士学位论文 的城域网络平台 实现系统的远程通信是一个很好的选择 目前可选用的城域网有互联 网和g p r s 无线网络 其中互联网成熟可靠 通信量大 传输速度高 成本低 接入较 为方便 是一个首选方案 而g p r s 网络则更灵活 目前已被广泛应用于各种远程无线 监控系统中 1 9 是一种较为成熟的无线通信技术 因而可以在有线网络接入不便的情况 下作为备选方案 本文中将以以太网通信方案进行论述 其内容安排在第五章与主控器 一起讨论 2 5 控制器的要求及实现 控制器是局域网的总控设备 负责轮询传感器状态信息 并通过网络与管理中心上 位机进行远程通信 实时反映停车场停车状态 并接受上位机指令 完成相关控制功能 控制器应具有以下的功能和特性 1 可靠性 控制器位于停车场现场 环境较为恶劣 作为系统中承上启下的关键 设备 应具有较高的可靠性 2 多种通信手段 控制器应具有r s 4 8 5 串行接口 以便与传感器有效通信 应具 有以太网通信能力或g p r s 收发能力 以便与上位机实现有效通信 3 运算能力 主控制器功能较为复杂 必须有较高的运算能力 以保证系统的实 时能力 4 扩展能力 在系统平台改进过程中 应为主控器保留一定的软硬件扩展能力 如扩展总线接口 运用嵌入式操作系统等 考虑到以上因素 本文中采用了a t m e g a l 2 8 单片机作为主控器的c p u 采用常见 的r t l 8 0 1 9 a s 网络控制器作为以太网通信模块的接口芯片 并在此硬件系统上运行了 嵌入式的实时操作系统n u t o s 9 第三章基于巨磁技术的车辆传感器的设计 第三章基于巨磁技术的车辆存在传感器的设计 现有机动车发动机和车体中包含大量铁磁介质 巨磁电阻车辆存在传感器的基本原 理就是通过检测这些铁磁介质对地磁场的扰动来判断车辆的存在与否 然而由于这些铁 磁介质的磁场极为微弱 一般的磁场检测技术往往难以达到要求的精度 所以本文采用 了一种新型的技术 即巨磁技术 实现车辆检测 3 1 巨磁技术原理机及应用现状 巨磁电阻 g i a n tm a g n e t i cr e s i s t a n c e g m r 现象由法国科学家的阿贝尔 费尔和 德国的彼得 格林贝尔因发现 并且两人因此获得2 0 0 7 年诺贝尔物理学奖 2 0 1 巨磁电阻 顾名思义 就是极其微小的磁场技能引起阻值较为明显变化的电阻 巨磁电阻效应现在 已被成功的应用到计算机磁盘 弱磁探伤等领域 取得了良好的社会效益 2 l l 巨磁电阻是通过薄膜加工技术在硅片上蒸涂坡莫合金f e 2 0 n i 8 0 薄膜制成的 2 2 1 巨磁 电阻效应是一种量子力学效应 该效应产生于由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而 成的磁性薄膜结构 当铁磁层的磁矩相互平行时 载流子与自旋有关的散射最小 材料 有最小的电阻 反之 载流子与自旋有关的散射最强 材料的电阻最大 沿坡莫合金合金带的长度方向施加一个电流 在垂直于电流的方向施加一个磁场 这 会导致两端合金带的内磁化方向朝着电流方向转动 合金带的阻值发生变化 变化值取决 于内外磁场合成的磁化方向与电流流向的夹角0 2 3 1 如图3 1 所示 金属触点 磁场金属触点 图3 1 巨磁材料构造结构 当磁场强度恒定时 磁场与巨磁电阻敏感轴的夹角决定了坡莫合金电阻值的大小 满足以下关系 r r l r 2 r 1 c o s2 0 1 0 3 1 长安大学硕士学位论文 其中0 为磁场与巨磁电阻敏感轴夹角 r 1 r 2 分别是电流方向与磁场方向垂直和 平行时坡莫合金的电阻率 根据这一现象 巨磁传感器可以通过测量阻值的变化达到检测微弱磁场强度和分布 的目的 因此被广泛的应用于弱磁检测 探伤 甚至是航空地磁导航领域 3 2 巨磁材料在车辆存在传感器中应用的可行性分析 3 2 1 车辆检测原理分析 地球是一个天然磁体 其磁场强度强度f 约为o 5 o 6 g a u s s 川 方向由地磁南极 指向地磁北极 并近似与水平面基本保持平行 因此当据此材料的敏感轴与水平面保持 垂直状态时 其与地磁场夹角近似为9 0 此时地磁场对巨磁电阻产生的影响最小 即 r r 2 r 1 x c o s9 1 而当车辆经过据此材料附近时 车体所携带的铁磁介质将扰乱周围固有的环境磁 场 如图3 2 所示 此时 地磁场不再与巨磁电阻敏感轴保持垂直 这必将影响到巨磁 电阻的阻值变化 如果能够精确测量到这一变化量 那么就可以据此判断出车辆的存在 与否 图3 2 铁磁介质对地磁场扰动示意图 3 2 2 巨磁电阻h m c l 0 2 1 的基本特性 固有磁 场方向 目前市场上有多种巨磁电阻 其中霍尼韦尔公司生产的h m c l 0 2 1 系列巨磁电阻 性能较为优异 其检测精度可达到8 5 u g s 远低于地磁场强度0 5 g s 在 6 g s 磁场范围 内 具有良好的线性度 2 5 1 非常适合于检测地磁场强度 其主要参数如表3 1 所示 第三章基于巨磁技术的车辆传感器的设计 表3 1h m c l 0 2 1 主要参数表 特性 条件 最小 典型值最大单位 供电范围52 5v o l t 磁场强度 6 6g a t l s s 精度供电电压5 v8 5u g a b s s s e t r e s e t 阻值7 7q s e t r e s e t 电流0 5o 54a m p 敏感度s r 电流0 5 a 0 811 2 5删n g a u s s 工作温度 5 51 5 0 h m c l 0 2 1 有多种封装结构 但其功能和用法相同 以h m c l 0 2 1 s 为例 其外部结 构如图3 3 所示 o u t 1 v b r l d g e2 g n d3 o u t 4 一 d i e ll 一 l l 一 8o f f s e t 7o f f s e t 6s r 5s r 图3 3i i m c l 0 2 1 s 外部结构 其中v b r i d g e 和g n d 为电源端 o u t o u t 为电压信号输出端 s r s r 为电阻置位复位端 o f f s e t o f f s e t 为偏置电流输入端 h m c l 0 2 1 的内部结构实际上是一个惠斯通电桥 每一个桥臂由一组坡莫合金材料 构成 且相邻桥臂上的巨磁材料极性相反 如图3 4 所示 v r r t r 雠 5 i o f f s e t o f f s e t o f f s e t o f f s e t 电流 7 7 0 s r 二 s r x t r c s e t 电漉 3 4h m c l 0 2 1 片上组件结构 由于相邻桥臂上的巨磁电阻特性相同 但极性相反 所以在没有外部磁场作用时 o u t 与o u t 之间电势相同 输出电压v 叫t 为0 当有外加磁场作用时 由于极性相反 其处于相对位置的一对电阻将产生增量a r 而另外一对电阻则产生增量 a r 那么电桥 输出为 1 2 长安大学硕士学位论文 v o u t v o w 一v o t r r v c c a r r 3 3 坡莫合金材料之所以有矢量特性 是由其内部原子排列结构所决定的 当其内部大 量原子的磁轴顺序排列时 坡莫合金材料就会表现出整体的矢量特性 然而这种特性并 不能够长期保持 当坡莫合金合金材料长期暴露于环境磁场中时 其内部原子排列方向 会逐渐趋向于随机状态 2 5 相互抵消而使坡莫合金失去矢量特性 因而也就失去了其作 为巨磁材料的特性 如图3 5 所示 坡莫合全原子搀列方向 s et 脉冲方向 长期暴露于磁 场中的状态 s e t 脉冲之后的 状态 r e s e t 脉冲之后 的状态 r c l e t 脉冲方向 图3 5 坡莫合金材料原子排列状态 解决这一困境的方法是 在使用时先用强磁场对坡莫合金材料进行强制磁化 梳理 其原子排列顺序 以保证其检测精度 h m c l 0 2 1 在内部集成了这一磁化电路 即s r s r 引脚 在具体操作时 首先对s r 端施加一个正向的脉冲 脉冲宽度大于2 u s 电流强度 介于0 5 2 a 之间 然后读出电桥输出电压v 既 随后再驱动一个负向脉冲反置位 然后 读出v 嘟 对两次读取结果做运算 得到实际输出电压 v o u t v s e t v r s t 2 3 4 利用这种方法同时可消除因温度漂移等共模信号造成的影响 从而得出一个与绝对 1 3 第三章基于巨磁技术的车辆传感器的设计 磁场成正比例的输出 有效降低设计难度和成本 并且不需要对传感器的平衡输出进行 精调 2 6 1 3 3 传感器的硬件实现 3 3 1 系统硬件总体设计 根据上节分析 系统的主要任务是对巨磁电阻信号进行放大 滤波 采集 计算得 到最终的结果 同时还要伴随着对巨磁电阻的置位 复位 与上位机通信等操作 这需 要由微控制器来完成 因此传感器可分为 单片机 巨磁电阻与置位 复位电路 信号放 大电路 a d 转换 串口通信等几个模块 结构框图如图3 6 所示 i a d 转换 i f 由 信号放大 滤波电路 口 jl 通 m c u 信 巨磁电阻电桥 1 l置位复位电路 图3 6 传感器功能结构框图 本节将根据这几个模块展开 详细讲解传感器的硬件结构 其中串口通信模块的设 计由于要涉及到多个网络设备 因此单独列出 放在第四章详细介绍 3 3 2 微控制器模块设计 1 a t m e g a8 的特性 a v r 系列单片机具有高性能 低功耗 高可靠性 片上资源丰富 使用简便可靠等 特点 2 7 1 它集成了a d 转换和串口通信等功能 为开发节省了成本和设计难度 非常适 合于设计需要 a t m e g a8 单片机是该系列单片机的低端版本 也是基本测控中使用较 为广泛的一种 它具有一整套的系统开发工具 包括 c 语言编译器 宏汇编 程序调 试器 软件仿真器 仿真器及评估板等 非常有利于软件开发调试 因此传感器选择其作 为处理器 1 4 长安大学硕士学位论文 2 a t m e g a8 的外部结构 a t m e g a8 有p d i p 和t q f p 两种封装 其中p d i p 封装引脚配置如图3 7 所示 r e s e t p c 6 口1 r x d p d 0 口2 i t x d p d i 口3 i n t 0 p d 2 口4 o n p d 3 口5 x c k n 0 p d 4 口6 v c c 口7 g n d d8 x t a l l t o s c l p b 6q 9 x t a l 2 t o s c 2 p b 7 口1 0 f r l p d 5 口 弘i n 0 p d 6 q1 2 a i n i p d 7i 1 3 i c p l l p b 0 口1 4 p c 5c a d c 5 s c l p c 4f a d c 4 s d a p c 3 a d c 3 p c 2f a d c 2 p c t a o c l p c o a c 0 g n d a r e f a v c c p b 5f s c k p b 4 m 1 5 0 l p b 3f m o s l o c 2 l p b 2f s s o c lb l p b l o c t a l 图3 7a t m e g a 8 p d i p 引脚配置 a t m e g a8 的引脚主要功能与特性如下 v c c 电源 夺g n d 电源地 夺a v c c a d c 的电源端 a v c c 与v c c 之间的偏差不能超过4 0 3 v 令a r e f a d c 的模拟基准输入引脚 夺端口p b p b 7 p b 0 x t a l l x t a l 2 t o s c l t o s c 2 端口p b 为8 位双向i o 口 通过时钟选择熔丝位的设置 p b 7 6 可作为反向振 荡放大器或时钟操作电路的输入 输出端 若将片内标定r c 振荡器作为芯片时钟 源 p b 7 6 作为异步t c 2 的t o s c 2 1 输入端 令端口p c p c 6 p c 0 r e s e t a d c 5 a d c 0 端口c 为7 位双向i o 口 p c 6 为复位输入引脚 持续时间超过最小门限时间的 低电平将引起系统复位 令端口p d p d 7 p d 0 端口d 为8 位双向i o 口 r x d t x d 可作为串口收 发端 a i n i o 为内部比较 器输入端 3 系统时钟源 系统时钟源在多个模块中均需要涉及到 因此本节将此模块单独列出 做一个系统 的分析 在总控制器和从控制器中将不再着重介绍 鹳万蕊笛私 改到勰蟾循盯伯钙 第三章基于巨磁技术的车辆传感器的设计 a v r 单片机内部有多种系统时钟信号 这些信号相对独立运行 互不干扰 用户可 根据需要通过软件手段设置 以禁止无用时钟运行 从而达到降低功耗 去除噪声等功 能 系统时钟的结构框图如图3 8 所示 图3 8a t m e g a 8 的系统时钟模块结构框图 从图中可以看出 系统时钟信号有以下几种 1 c p u 时钟 c l k c p u 与a v r 内核的子系统相连 为通用寄存器文件 状态寄存 器及保存堆栈指针的数据存储器等模块提供时钟信号 2 i o 时钟 c l k v o 用于i o 模块 提供如定时器 计数器 s p i u s a r t 和中 断等模块的时钟信号 3 f l a s h 时钟 c l k f i a s h 控制f l a s h 接口的操作 4 异步定时器时钟 c l k a s y 允许异步定时器 计数器直接由外部3 2k h z 时钟晶 体驱动 使得此定时器 计数器即使在睡眠模式下仍然可以为系统提供一个实时时钟 5 a d c 时钟 c l k a d c 系统a d c 具有专门的时钟 以便在a d c 工作的时候可以 停止c p u 和i o 时钟以降低数字电路产生的噪声 从而提高a d c 转换精度 a t m e g a 8 的时钟源也有多种选择 用户可以通过f l a s h 熔丝位c k s e l 3 o 来选择合 适的时钟源 其熔丝位配置如表3 2 所示 表3 2 系统时钟源熔丝位选择 时钟源类型 c k s e l 3 旬 外部晶振 陶瓷振荡器1 1 1 1 1 0 l o 外部低频晶振 l 0 0 1 外部r c 振荡器1 0 0 1 0 l 1 6 长安大学硕士学位论文 i 内部r c 振荡器0 1 0 咖0 0 1 i 外部时钟 0 0 0 0 系统内部r c 晶体振荡器提供标称为1 0 2 0 4 0 8 0m h z 的时钟 用户可通过 对对熔丝位c k s e l 3 0 进行编程实现频率选择 见表3 3 系统加电复位时硬件自动将 标定字节加载到o s c c a l 寄存器 自动完成对r c 振荡器的标定 以提供标称4 l 的 频率精度 本系统中即使用内部r c 振荡器作为时钟源 表3 3 内部时钟频率选择 c k s e l m 标称频率 m h z 0 0 0 11 0 0 0 1 02 0 0 0 1 14 o 0 l o o8 0 一般情况下用系统内部晶振即可 如对精度或频率有特殊需求 也可通过外部引脚 x t a l l 与x t a l 2 外接晶体振荡器或r c 振荡器 其引脚配置如图3 9 所示 v 缸 1 外部晶体振荡器 2 外部r c 振荡器 图3 9a t m e g a8 的外部晶振配置图 3 3 3 巨磁电阻及其外围电路设计 h m c l 0 2 1 只需将v c c 与g n d 与电源和电源地正确连接即可工作 其中v e t 电压不 能超过2 5 v 否则将导致系统损坏 o u t o u t 作为信号输出引脚 h m c l 0 2 1 的内部复位电路本质上是一个低阻值的电阻带 它紧贴坡莫合金带 当 强电流通过时 该电阻带周围产生较强磁场 以激励坡莫合金材料内部原子顺序排列 系统没有提供片上的置位复位脉冲产生电路 因此需要用户专门设计 以便对巨磁电阻 进行置位 复位操作 由表3 1 可知 该电阻带内阻典型值为7 7 f 2 如果产生大于0 5 a 的电流 则需要使 其分压4 v 左右 由于其阻值非常小 而其要求的驱动时间非常短暂 大约2 u s 左右 采用直接电源驱动的方式有一定风险性 因此系统设计中采用电容充放电方式驱动 其 原理电路如图3 1 0 所示 第三章基于巨磁技术的车辆传感器的设计 1 2 v1 2 v 7 1 0 5 图3 1 0 传感器置位 复位电路 系统中采用两个低压场效应管m 2 m 3 作为开关 其中m 2 为n 沟道场效应管 m 3 为p 沟道场效应管 两者的g a t e 端相连接 当g a t e 端为高电平时m 2 导通 m 3 截 止 系统通过电容c l 对c 2 进行充电 这时s r 端产生正向脉冲 对巨磁电阻h m c l 0 2 1 进行置位 当c 2 充电饱和时置位脉冲结束 待系统电压稳定后a d c 可对电桥输出信号 进行采集 得到v s e t 当g a t e 端转换为低电平时 m 2 截止 m 3 导通 c 2 通过m 3 向地放电 引起反向脉冲对传感器进行复位 完全放电后复位结束 这时可对电桥输出 端信号进行采集 得到v r s t 再经运算即可得到真实输出结果v o u t 在场效应管的选择上 低压场效应管较为少见 i r f 7 0 1 5 是一个不错的选择 它内 部集成了一个n 沟道管和一个p 沟道管 工作电压为2 0 v 较低电压下即能有效打开 其特性曲线如图3 1 1 所示 2 8 h 曲 晦仪 v 绷嚏p v n 沟道 二 剥 积 i 多 艄 么孚 一 j r 一一 一一 1 i r j r 耋 乃够麓 女 l z 彤 钐彩 l 纱 o o u 喜 i o s 亡玎z d 7 h t c p 5 a c p 沟道 一 图3 1 1m f 7 1 0 5 场效应管电压一电流特性曲线 由于i r f 7 1 0 5 适合工作于1 0 v 2 0 v 的源 漏电压范围 实际试验结果表明在采用5 v 供电的电容充放电过程中 置位 复位脉冲超过4 v 的部分宽度不足 这是由于两点造成 1 电容自身特性 2 电阻带阻值较低 而场效应管i r f 7 1 0 5 在5 v 电平下并不能达到完全 饱和 因此分压较为明显 解决方法是 增大电容以缓和充放电曲线坡度 同时提高系统供电电压至1 2 v 以 1 8 v掣l喜t239孵童詈 a v鼍2so 口摹 葺鼍墨6 口i 长安大学硕士学位论文 拉高脉冲峰值 并使场效应管内阻进一步降低 这样可以有效的延长脉冲超过4 v 的部 分 实验结果如图3 1 2 所示 溪i 戮瓣霾疆戮溅缀 ij 学 缮鬻缓缓缓懑麓滋缀缪缓霪懑覆缀缀缀 j 睾 誊i 鬻l 缓鬟鬓 藤 j 攀豢 瓤荔i 黪r g 疆彰籀魏 一 籀i 戤 镳巍 鲁i 瓣j 墨 缮i 萋童霪罄 参z 麟謦辫荔i 荨 臻二 1 j 镌 爹麓籀鬻i i 0 曩j j 警翌荔鬟萋雾 e i 鬻鬻蒸鬻鬻震蘩熏蒸 c h l 5 矧臼瞄喇2 矧t i w t5 磬8 j 叁u 霉7 i 驴 蔑鼯 譬 誊 图3 1 2h m c l 0 2 1 置位脉冲特性 然而新的问题再次出现 场效应管是一个压控开关 其导通和截止受控于g a t e 端和 衬底之间的电压差 小于其电压阈值则场效应管截止 大于其阈值时场效应管打开 经 测试 当i r f 7 1 0 5 工作在源极 漏极电压为1 2 v 时 其阈值为4 v 左右 即g a t e 端与衬 底压差超过4 v 即可打开场效应管 但由于单片机控制端采用t t l 电平 如直接控制工 作在1 2 v 电压下的p 沟道场效应管m 3 当控制端处于最高电压5 v 时 其与1 2 v 的衬 底电压之间压差仍有7 v 这就意味着场效应管m 3 永远不能关断 但同时5 v 的电压却 可以使n 沟道场效应管m 2 不饱和打开 从而造成系统短路 因此作者在系统中采用一 个n 沟道场效应管m 1 对1 1 儿电平进行转换 以使控制端高电平可以达到与源电压相 同的1 2 v 从而避免短路状态的出现 由于场效应管的g a t e 端与衬底之间的电容特性 较为明显 在驱动输入过程中 等效于电容充放电 这时如果电平转换