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目前我國逐步啟動(dòng)了智能交通系統(Intelligent Transportation Systems ,ITS)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，以期解決城市交通問(wèn)題。信息化是ITS 實(shí)現的前提，ITS 子系統都離不開(kāi)實(shí)時(shí)，豐富，有效的信息�？梢哉f(shuō)交通信息是ITS 運作的“靈魂”。為了獲得更有效，更詳細，更豐富的交通信息，本文提出了一種基于A(yíng)T91RM9200 和AMR 磁阻傳感器（HMC1022）的嵌入式前端信息采集設備。 1 AMR 磁阻傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介 異向性磁阻傳感器(AMR)，最適于工作在地球磁場(chǎng)范圍，可以檢測直流靜態(tài)磁場(chǎng)，也可以檢測磁場(chǎng)的強度和方向。AMR傳感器的制作過(guò)程是將鐵－鎳合金（Permalloy）薄膜沉積在硅片上形成電阻條，在磁場(chǎng)中其阻值可變化2－3%。通常，四個(gè)這樣的電阻連接成一個(gè)惠斯通電橋的形式，可以測出沿著(zhù)單一軸線(xiàn)的磁場(chǎng)的強度和方向。 本項目采用Honeywell的HMC1022雙軸磁阻傳感器，當HMC1002暴露在變化的磁場(chǎng)中時(shí)，其電阻有所改變（△R），從而引起相應的輸出電壓的變化，AMR磁阻傳感器的核心原理將磁場(chǎng)轉換成差分輸出電壓。HMC1022的主要性能指標如表1所示： 
AMR傳感器檢測原理：地球磁場(chǎng)在很廣闊的區域內（大約幾公里）是一定的。一個(gè)鐵磁性物體，如汽車(chē)，無(wú)論它是運動(dòng)的還是靜止的，AMR傳感器均可檢測由于車(chē)輛干擾而引起的地磁場(chǎng)的變化。車(chē)輛檢測可以有幾種應用方式：?jiǎn)屋S傳感器可以用來(lái)檢測車(chē)輛是否存在，根據車(chē)輛鐵磁物質(zhì)含量的不同，傳感器距車(chē)輛的檢測距離最遠可達15米。另一種應用是檢測車(chē)輛的通過(guò)，在這個(gè)應用中，可使用雙軸傳感器來(lái)判斷車(chē)輛的存在、行駛的方向和速度，使操作者獲取足夠的信息。該項目采用雙軸傳感器，通過(guò)使用合適的AMR傳感器和放大器，可以通過(guò)精確的磁場(chǎng)信息提供磁場(chǎng)強度和方向信息。 2 系統結構設計 整體系統中基于A(yíng)T91RM9200和AMR磁阻傳感器（HMC1022）的嵌入式前端檢測設備在整個(gè)信息系統中作為傳感節點(diǎn)，路口前端管理設備作為路口接入點(diǎn)（通過(guò)CAN-Bus得到合理的傳感節點(diǎn)交通流量信息后對路口交通狀況作出響應），傳感節點(diǎn)和接入點(diǎn)均可以通過(guò)以太網(wǎng)傳入管理中心。整體系統結構如圖1所示：
將該設備安裝在車(chē)道旁，可以提供車(chē)輛通過(guò)帶來(lái)的豐富的磁信號，雙軸AMR磁阻傳感器將得到的原始數據通過(guò)運算放大器放大整形后，再通過(guò)A/D轉換器，把編碼后的信號輸入到AT91RM9200，AT91RM9200判斷處理采樣得到信號，再把有用信號通過(guò)CAN-Bus總線(xiàn)發(fā)送給路口前端管理設備或直接通過(guò)以太網(wǎng)，光纖傳入管理中心。 3 傳感節點(diǎn)硬件設計 3.1 硬件系統設計 前端信息采集設備主要由置位/復位電流帶電路，信號調理電路，微處理器，10/100MEthernet部分，CAN收發(fā)部分，參數備份等部分組成，設備硬件部分的基本組成框圖如圖2所示：
AMR磁阻傳感器（HMC1022）輸出的毫伏信號經(jīng)運算放大器進(jìn)行差分放大后，進(jìn)入A/D轉換芯片，經(jīng)A/D芯片轉換后通過(guò)SPI總線(xiàn)發(fā)送至AT91RM9200。AT91RM9200對抽樣采集進(jìn)來(lái)的信號進(jìn)行處理后，通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給路口前端管理設備或通過(guò)以太網(wǎng)傳入管理中心。 3.2 置位/復位電流帶 大多數低磁場(chǎng)傳感器受到大的磁場(chǎng)干擾(>4-20高斯)的影響可能導致輸出信號的衰變，為了減少這種影響和最大化信號輸出，可以在磁阻電橋上應用磁開(kāi)關(guān)切換技術(shù)，消除過(guò)去磁歷史的影響。置位/復位電流帶的目的就是把磁阻傳感器恢復到測量磁場(chǎng)的高靈敏度狀態(tài)，這可以通過(guò)將大電流脈動(dòng)（3.5A,2us）通過(guò)S/R電流帶實(shí)現。S/R電流帶看起來(lái)像加在SR+和SR-引腳之間的一個(gè)電阻。S/R電流帶與偏置電流帶不同，因為它是以垂直軸或不敏感的方向磁耦合到磁阻傳感器上的。任何低于額定電的流脈沖信號都會(huì )導致無(wú)法置位傳感器并且不會(huì )得到最佳的靈敏度。設計置位/復位脈沖電路的方法如圖3所示：其中采用MAX662A作為5V至20V的電壓轉換器。
利用S/R電流帶，可以消除或減少許多影響，包括：溫度漂移，非線(xiàn)性錯誤，交叉軸影響和由于高磁場(chǎng)的存在而導致信號輸出的丟失。這可通過(guò)下列過(guò)程實(shí)現： •電流脈沖，I置位，可從S/R+引腳施加到S/R-引腳以實(shí)現“置位”條件。電橋輸出作為Vout(置位)儲存起來(lái)。 •在S/R引腳內施加相等但相反的另一個(gè)脈沖可實(shí)現“復位”條件。電橋輸出作為Vout(復位)儲存起來(lái)。 •Vout可以表達為Vout=[ Vout(置位)-Vout(復位)]/2。此方法可以消除由電子器件以及電橋溫度漂移導致的偏置和溫度影響。 3.3 信號調理和A/D 轉換電路 信號調理和A/D轉換電路如圖4所示。注意AMP04的1腳8腳之間跨接1K的電阻（調節增益）， 8腳和6腳輸出之間跨接1.5nF的電容。
圖4 信號調理和A/D轉換電路 圖4采用ADI公司生產(chǎn)的高精度單電源運算放大器AMP04，通過(guò)設置Rgain大小為1 K Ω ，可得Gain = 100 K Ω /Rgain=100；同時(shí)使用精密帶隙電壓基準LM4140-2.048為AMP04引腳5（Vref）提供基準電壓，使得AMP04輸出電壓滿(mǎn)足VOUT = (VIN+ – VIN–) × Gain + VREF。 A/D轉換器采用TI公司的單通道16位SAR A/D轉換器TLC4541。當基準電壓為4.096V時(shí)，可以直接接收從0~5V的信號，可實(shí)現16位無(wú)誤碼輸出。本項目使用精密帶隙電壓基準LM4140-4.096為T(mén)LC4541 2腳參考電壓輸入端提供外部基準電壓。 對于A(yíng)MR磁阻傳感器（HMC1022）， 在半橋上的2.5伏輸出端子具有從-10mV至+11.25mV(Vo+至Vo-所測定的)的電橋偏置電壓。這一電橋偏置電壓范圍可標準化為-2mV/V至+2.25mV/V。對于車(chē)輛檢測應用而言，在任一傳感器電橋上測得的最大地磁場(chǎng)值約為625毫高斯。因此，HMC1022的靈敏度規格為0.8~1.25mV/V/高斯時(shí)，當電橋工作電壓為5V時(shí)，任一電橋上最大可能的地磁場(chǎng)激勵可能為+/-3.9mV。當把+/-3.9mV加到可能的電橋偏置電壓-10mV至+11.25mV上時(shí)，偏置卻變?yōu)?13.9mV至+15.15mV。因此要將這個(gè)電橋輸出電壓進(jìn)一 步放大至模擬-數字轉換器(ADC)的0V至4.096V輸入范圍。 綜上所述：2.048+(-13.9mV× 100)~2.048+(15.15× 100) < 0~4.096V；同時(shí)分辨率為(4.096V/2 /100)/(5V 1.0mv/V/gauss) = 0.125mgauss 滿(mǎn)足設計條件。 3.4 ARM 微處理器模塊 微處理器采用ATMEL公司針對系統控制，通訊領(lǐng)域推出的基于A(yíng)RM920T內核的32位RISC處理器AT91RM9200。本項目中AT91RM9200模塊部分如圖5所示：
圖5 AT91RM9200 系統應用框圖 ARM微處理器模塊由AT91RM9200，NorFlash，SDRAM，LDO電源，復位電路共同構建。本系統選用Intel StrataFlash Memory(J3) JS28F128J3D75 (16Mbyte)構建16位FLASH存儲器系統；同時(shí)選用兩片Hynix HY57V281620A (16Mbyte)并聯(lián)構建32位SDRAM存儲系統。 AT91RM9200對各個(gè)模塊的初始化控制是通過(guò)底層驅動(dòng)（Boot部分）來(lái)實(shí)現的。由于A(yíng)T91RM9200的內核工作電壓為1.8V，I/O工作電壓為3.3V，同時(shí)存儲器部分的電壓為3.3V，但是本設計的供電電壓為5V，所以選用LDO進(jìn)行電壓變換(LT085CT3.3,AMS1117-1.8)；由于A(yíng)T91RM9200的復位脈沖有一定的時(shí)間要求，所以選用IMP811S作為復位器件。 3.5 與路口前端管理設備通信部分 該部分包括10/100M Ethernet部分及CAN-Bus部分。10/100M Ethernet部分如圖6所示：
AT91RM9200以太網(wǎng)MAC是OSI參考模型物理層(PHY)與邏輯鏈路層(LLC)間MAC子層的硬件工具。它使用以太網(wǎng)IEEE 802.3u 數據幀格式控制在主機與PHY 層間的數據交換。 它通過(guò)與MDIO/MDC 引腳連接來(lái)對PHY 層進(jìn)行管理，在本項目中使用DAVICOM公司的10M/100M PHY層收發(fā)芯片DM9161E，需要注意的是Ethernet部分PCB設計中模擬數字電源地分開(kāi)(模擬數字電源用100uH的電感加上0.1uF電容組成的型濾波器分開(kāi)π ，特別要注意的是LT1085CT-3.3輸出要用22uF鉭電容濾波給DM9161E部分整體供電)。 CAN總線(xiàn)收發(fā)部分如圖7所示：
由于A(yíng)T91RM9200本身沒(méi)有CAN控制單元，所以采用NXP公司的獨立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。同時(shí)采用致遠電子的CTM1050T作為隔離CAN收發(fā)器模塊，它完全符合ISO 11898標準的CAN收發(fā)器，隔離電壓DC 2500V。需要注意的是AT91RM9200的地址數據線(xiàn)是分開(kāi)的（沒(méi)有ALE信號），所以針對SJA1000T的應用要注意先產(chǎn)生ALE信號和地址信號，再收發(fā)數據。 4 軟件設計 4.1 軟件主要功能 軟件的主要功能如下： （1）系統上電后，Boot它從JS28F128J3D75 Flash啟動(dòng)，完成ARM微處理器模塊的各個(gè)部分的初始化，負責將Flash中的U-Boot.gz解壓到HY57V281620A SDRAM中，然后通過(guò)UBoot來(lái)引導Linux-2.4.27及Ramdisk。 （2）實(shí)時(shí)檢測和處理AMR磁阻傳感器（HMC1022）傳入的磁場(chǎng)改變（由于車(chē)輛通過(guò)）的信息，并通過(guò)固定的算法來(lái)確定是否有車(chē)輛通過(guò)，及車(chē)輛通過(guò)的方向。并且將有關(guān)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給管理中心或者通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給路口前端管理設備，以便得到合理的交通信息后對路口交通狀況作出響應； （3）實(shí)時(shí)接收管理中心網(wǎng)絡(luò )發(fā)來(lái)的命令，在對命令的類(lèi)型進(jìn)行自動(dòng)處理和判斷后實(shí)現相應的功能；實(shí)時(shí)接收路口前端管理設備發(fā)來(lái)的命令，在對命令的類(lèi)型進(jìn)行自動(dòng)處理和判斷后實(shí)現相應的功能； （4）在設備架入點(diǎn)的磁場(chǎng)受到強磁場(chǎng)（大于10高斯）影響時(shí)，通過(guò)置位/復位電流帶通過(guò)大電流脈動(dòng)（3.5A,2us）來(lái)強迫傳感器以高靈敏度模式工作；同時(shí)利用Vout=[ Vout(置位）- Vout(復位)]/2此方法可以消除由電子器件以及電橋溫度漂移導致的偏置和溫度影響； （5）由于地球磁場(chǎng)在很廣闊的區域內是一定的，所以利用路口多個(gè)檢測設備的CAN總線(xiàn)通信，來(lái)判斷某個(gè)設備的檢測功能失效，并且通知管理中心和路口前端管理設備； （6）能夠每隔一定的時(shí)間把路口的檢測流量信息，備份到Flash存儲器中，以便以后使用；能夠每隔一定的時(shí)間檢測設備本身的工作是否正常； 4.2 軟件架構 整個(gè)軟件采用嵌入式操作系統Linux作為設備功能實(shí)現上的主要載體。Linux是多任務(wù)操作系統，在軟件整體劃分上主要分為八個(gè)線(xiàn)程，運行時(shí)各個(gè)線(xiàn)程并行工作。各個(gè)線(xiàn)程之間的關(guān)系如圖8所示：
這八個(gè)線(xiàn)程分別為： ▲ 磁阻傳感器檢測線(xiàn)程，負責將AMR磁阻傳感器（HMC1022）檢測到的數據，通過(guò)一定的算法來(lái)判斷車(chē)輛信息 ▲ 檢測結果傳輸線(xiàn)程，負責將得到的結果通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳給主控制中心 ▲ 檢測結果交換線(xiàn)程，負責將得到的結果通過(guò)CAN網(wǎng)傳給路口前端管理設備，同時(shí)接收路口前端管理設備返回的數據 ▲ 網(wǎng)口接收線(xiàn)程，負責接收和處理主控制中心通過(guò)網(wǎng)口下發(fā)的指令和數據 ▲ 設備工作環(huán)境正常監控線(xiàn)程，負責如果發(fā)現受到強磁場(chǎng)（大于10高斯）影響，來(lái)強迫傳感器以高靈敏度模式工作 ▲ 多個(gè)設備交換數據線(xiàn)程，通過(guò)CAN網(wǎng)負責多個(gè)設備的互相通信，來(lái)監控單獨某個(gè)設備的工作情況 ▲ 設備自檢線(xiàn)程，負責檢測該設備本身的工作是否正常 ▲ 參數備份線(xiàn)程，負責備份檢測結果，以便以后一次性調用參考 下面主要介紹磁阻傳感器檢測線(xiàn)程的算法。 當雙軸磁傳感器放在距地面1英尺高的位置，X、Y敏感軸方向為北-南和西-東方向。當車(chē)輛沿著(zhù)北-南方向行駛（即傳感器的敏感軸沿著(zhù)行駛方向），可以檢測出車(chē)輛的行駛方向。車(chē)輛是由北-南方向行駛，那么磁場(chǎng)計首先“看到”的是減弱的磁場(chǎng)，從傳感器的初始值開(kāi)始，續之而來(lái)的第一個(gè)畸變是曲線(xiàn)偏向負方向。當車(chē)輛正好與傳感器成一條線(xiàn)時(shí)，通過(guò)車(chē)輛的磁場(chǎng)變化量與開(kāi)始時(shí)類(lèi)似，傳感器輸出曲線(xiàn)返回到初始值。當車(chē)輛繼續向南時(shí)，磁力線(xiàn)將沿著(zhù)敏感軸的正方偏向車(chē)輛。所以傳感器的輸出將會(huì )在初始值的基礎上增大。當車(chē)輛遠離傳感器的時(shí)，傳感器輸出恢復到初始值。當車(chē)輛倒車(chē)開(kāi)回，從反方向接近傳感器。這部分的曲線(xiàn)正好是第一部分曲線(xiàn)的鏡反射。通過(guò)對該曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理后，可以用來(lái)指示車(chē)輛的存在。 同時(shí)，檢測信號強度衰減得非�？�，通過(guò)建立合適的閥值，可以濾掉旁邊車(chē)道的車(chē)輛或遠距離車(chē)輛帶來(lái)的干擾信號。實(shí)際上該設備具有很高的檢測分辨率，能非常詳細的描述出車(chē)輛的磁信息，輸出波形會(huì )隨車(chē)型的不同而不同，對輸出變量進(jìn)行模式識別和匹配運算，不僅可以判斷出車(chē)輛的存在，行駛方向而且可以識別車(chē)型。 該算法需要注意的是消除電橋偏置電壓的影響。電橋偏置電壓是輸出節點(diǎn)Vo+和Vo-的電壓差(單位伏特)的結果，主要是由每個(gè)傳感器元件的精確電阻值誤差引起的。電橋偏置電壓對AMR傳感器系統的設計具有一定的影響，不僅僅只是偏置了輸出電壓。在傳感器電橋后設計連續的電壓放大級時(shí)，必須將該偏置電壓公差，添加到磁場(chǎng)激勵的AMR電橋所期望的輸出電壓范圍中（設計的關(guān)鍵是電壓放大級的輸出要在選用ADC的正常輸入范圍之內，如3.3所述）。該線(xiàn)程流程如圖9所示：
設備復位后，首先完成各個(gè)硬件模塊的初始化工作；其次完成與路口前端管理設備的通信及與管理中心的通信；當通信正常后設備自身完成HMC1022的置位脈沖和復位脈沖，分別讀取V置位和V復位；計算出V電橋偏置；然后設備正常抽樣，通過(guò)算法完成檢測功能；同時(shí)設備正常工作期間要完成互相檢測和自我檢測功能，并且把結果反饋給管理中心及路口前端管理設備。需要注意的是，如果電橋偏置檢測不正�；蛘叨鄠�(gè)設備環(huán)境磁場(chǎng)數據比較不正常，需要與路口前端管理設備和中心管理者通信，然后由它們通知給設備，通過(guò)置位/復位電流帶重新讀取磁阻傳感器電橋偏置電壓，如果仍然不正常，由中心通知有關(guān)部門(mén)來(lái)維修設備。 結語(yǔ) 基于A(yíng)T91RM9200 的AMR 磁阻傳感車(chē)輛檢測系統作為交通流量信息發(fā)布系統的“眼睛”具有極高的檢測精度，同時(shí)該設備本身性能穩定可靠，可擴展性好，資源利用率高。AMR磁阻傳感器是利用地球磁場(chǎng)在鐵磁物體通過(guò)時(shí)的變化來(lái)檢測，所以它不受氣候的影響；非車(chē)輛的鐵磁性物體通過(guò)時(shí)通過(guò)對數據庫的查詢(xún)可以避免誤檢；容易集成化。 參考文獻 [1] ATMEL AT91RM9200 DataSheet,2002. [2] 杜春雷. ARM體系結構與編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004. [3] Honeywell 控制傳感器電橋偏置Datasheet,2004. [4] 饒運濤,鄒繼軍,鄭勇云.現場(chǎng)總線(xiàn)CAN原理與應用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版 社,2003. [5] JONATHAN CORBET,ALESSANDRO RUBINI & GREG KROAH-HARTMAN. Linux 設置 驅動(dòng)程序(第三版) [M].北京:中國電力出版社,2007. [6] Franco,S.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計（第三版）[M].西安：西安交通大學(xué) 出版社,2004. 作者：南京萊斯大型電子系統工程有限公司 成晟 史彬嬌 來(lái)源：單片機與嵌入式系統應用 2008 (9) |
