基于地感線圈的車輛駛?cè)霗z測電路設(shè)計及仿真

周亞，戴偉，張鑫，徐 麗

（中科芯集成電路有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)被廣泛應用于交通行業(yè)[1]。根據(jù)不同的應用場景，有各式各樣的傳感器來滿足其應用需求。常見的交通物聯(lián)網(wǎng)傳感器包括射頻識別類傳感器、紅外線感知類傳感器、GNSS 衛(wèi)星定位類傳感器[2]、激光掃描類傳感器以及地磁感應類傳感器。其中，地感線圈由于成本低、檢測精度較高、工程安裝便捷等特點，具有較好的適用性[3]。當前的研究多集中在以地感線圈作為傳感器的系統(tǒng)級別研究，針對地感線圈信號采集電路設(shè)計不多?？刹捎梦⑿偷馗芯€圈，用于為交通流量調(diào)查系統(tǒng)提供車流量數(shù)據(jù)[4]；同一車道布設(shè)兩個地感線圈可以進行車輛車速的測量[5]?？梢岳玫馗芯€圈作為基礎(chǔ)信號感知的輸入源，與交通信號燈進行聯(lián)控，繼而實現(xiàn)了交通信號燈的智能化控制[6]。在交通治超領(lǐng)域，可以將地感線圈同稱重傳感器結(jié)合，作為動態(tài)稱重（Weigh In Motion，WIM）系統(tǒng)的一部分，實現(xiàn)車輛的動態(tài)稱重[7]。

基于此，本文對地感線圈工作原理進行了分析，在此基礎(chǔ)上進行地感線圈信號的采集電路設(shè)計，并通過PSpice 軟件仿真，對設(shè)計的電路進行了驗證，可為交通物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應用起到參考與借鑒作用。

1 地感線圈工作原理

地感線圈是由導線繞成的線圈，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。通常地感線圈選型采用1.0 mm 的銅芯軟導線[8]。

圖1 地感線圈結(jié)構(gòu)示意圖

地感線圈處于通電狀態(tài)時，在地感線圈周圍會形成一個交變的電磁場，根據(jù)電磁感應原理，當有金屬物體通過地感線圈產(chǎn)生的交變磁場時，會導致地感線圈的磁通量變化，產(chǎn)生感應電流，這種閉合回路電流也稱之為渦流。

由電磁場理論可知，導線會在其周圍產(chǎn)生磁場，對于N 匝、長度為S 的螺線管型線圈，其自感量計算[9]如式（1）所示：

式中，μr為線圈介質(zhì)的相對磁導率，μ0=4π×10-7H/m，A為線圈的環(huán)繞面積。

地感線圈在交通物聯(lián)網(wǎng)的實際應用中，正是基于該理論。在路面埋設(shè)了地感線圈，當車輛經(jīng)過時，車輛會和線圈發(fā)生磁感應，生成一個信號。由于車輛在線圈產(chǎn)生的磁場中自身產(chǎn)生渦流，該渦流產(chǎn)生的磁場與地感線圈產(chǎn)生的磁場極性相反，削弱了線圈原有磁場，導致線圈的電感量變小。實際應用中，通過檢測地感線圈電感量數(shù)值的變化來判斷有無車輛行駛經(jīng)過。

2 電路設(shè)計

2.1 電路總體設(shè)計

地感線圈信號采集流程設(shè)計如圖2 所示。整個流程主要包括四部分：地感線圈、調(diào)諧振蕩電路、波形整形電路、信號處理電路。

圖2 地感線圈信號采集流程

當車輛經(jīng)過地下埋設(shè)的線圈時，線圈產(chǎn)生一個電感量L，經(jīng)過調(diào)諧振蕩電路和波形整形電路處理得到頻率為f 的電壓方波信號，最后經(jīng)過微處理器進行處理。

地感線圈電感量初始值為L1（無車輛駛?cè)耄?，頻率為f1；當有車輛駛?cè)霑r，地感線圈電感量發(fā)生變化為L2，頻率為f2。通常L1＞L2。將正弦波經(jīng)波形整形電路后送入信號處理電路檢測，通過比較f2和初始值f1，判斷有無車輛駛?cè)搿?/p>

2.2 關(guān)鍵電路原理圖

2.2.1 調(diào)諧振蕩電路

本文設(shè)計所采用的調(diào)諧振蕩電路類型為電容三點式振蕩電路（LC 振蕩電路）。其電路原理圖如圖3 所示。

圖3 LC 振蕩電路原理圖

電容三點式振蕩電路是指兩個電容的3 個端分別與晶體管的3 個極相連接，顧又稱為電容反饋式振蕩電路或Colpitts 振蕩電路（考畢茲振蕩電路）。電容三點式振蕩電路具有輸出波形較好，振蕩頻率高等優(yōu)點。圖3中，L1是回路地感線圈，C1、C2是耦合電容，C3、C4是回路電容，C5 是高頻旁路電容。設(shè)計過程中，通常將高頻旁路電容和耦合電容取值比回路電容大一個數(shù)量級以上。

對于一個具體的振蕩電路，振幅的增大主要依賴于三極管的集電極靜態(tài)電流，若該值設(shè)置太大，則三極管容易進入飽和狀態(tài)，繼而導致振蕩波形失真，甚至引起振蕩電路停振。設(shè)計過程中，一般Ic取值范圍為1 mA～4 mA。

為了改善輸出波形和提高工作點的穩(wěn)定性，在發(fā)射機上串接了電阻Re，構(gòu)成電流串聯(lián)負反饋。正弦波振蕩電路產(chǎn)生持續(xù)等幅振蕩的必須滿足振幅平衡條件及相位平衡條件，其中，振幅平衡條件公式為：

其中，Av為放大電路增益，F(xiàn)v為反饋增益，

相位平衡條件為：

反饋系數(shù)由式（4）計算可得。

反饋系數(shù)為經(jīng)驗值，一般取0.1～0.5，取值過小則不容易起振。

當電路同時滿足振幅平衡條件與相位平衡條件時，電路就能起振。振蕩頻率為f，可由式（5）計算所得[10]。

其中，電容C 由式（6）計算可得：

考慮到rce和rbe的影響，實際振蕩頻率略高于計算所得數(shù)值。

2.2.2 波形整形電路

波形整形電路如圖4 所示。

圖4 波形整形電路原理圖

波形整形電路由一個電壓比較器組成，當輸入正弦波波形電壓高于0 V 時輸出高電平，低于0 V 時則輸出低電平，將輸出電壓限幅在0～3.3 V，從而將頻率為f 的正弦波整形為頻率為f 的方波，便于信號處理電路檢測處理。

2.2.3 信號處理電路

信號處理電路主要是利用微處理器中的定時器的輸入捕獲功能，兼顧性價比，本設(shè)計微處理器選用STM-32F103CBT6。STM32F103CBT6是意法半導體（ST）公司的低功耗、低電壓、高性能的ARM 內(nèi)核芯片，廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療、消費行業(yè)等市場領(lǐng)域。

該芯片的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 算法運行時間比較

根據(jù)交通流量檢測系統(tǒng)的功能及接口需求，保證系統(tǒng)具有較高抗干擾性能和工作可靠穩(wěn)定，微處理器需集成CAN 控制器，方便與其他模塊通信，微處理器需集成通用定時器，作為輸入捕獲的使用，輸入捕獲模式可以用來測量脈沖寬度或者測量頻率。

假定定時器工作在向上計數(shù)模式，輸入捕獲測量高電平脈寬的原理如圖5 所示。

圖5 測量高電平脈寬原理圖

圖5 中t1～t2時間表示實際所需測量的高電平時間。測量方法如下：首先設(shè)置定時器通道x 為上升沿捕獲，在t1時刻，將會捕獲到當前的CNT值，然后立即清零CNT值，并設(shè)置通道x 為下降沿捕獲。當進行到t2時刻，再次發(fā)生捕獲事件，得到此時的CNT值，記為CCRx2。至此，根據(jù)定時器的計數(shù)頻率，就可以算出t1～t2的持續(xù)時間，從而得到高電平脈寬，最終將脈沖高電平寬度時間轉(zhuǎn)化為頻率f。

3 仿真實驗

PSpice 是MicroSim 公司推出的一款EDA 軟件，具有精度高、實用性強、仿真效果好等優(yōu)點，是世界著名的電路仿真標準之一。PSpice 具有強大的電路繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號繪制功能，以圖形方式，自動進行電路檢查，模擬和計算電路。本文設(shè)計的仿真電路如圖6 所示。

圖6 仿真電路圖

圖6中，由三極管Q1 組成共射極振蕩器，電阻R4是三極管的公共射極電阻，R1、R3 組成Q1 基極偏置電阻，為三極管提供固定基極電壓。其中L1 外接地感線圈，形成等效電感L，L 與并聯(lián)的電容C3 和C4 形成振蕩回路，LC 值決定了振蕩頻率。U1A 是電壓比較器，起到波形整形的作用。

電感L1 用于模擬電感線圈，模擬車輛通行經(jīng)過線圈產(chǎn)生不同電感值的場景。

兩次仿真的主要參數(shù)如表2 所示。表2中，L 為輸入?yún)?shù)，第一次仿真L 設(shè)置為30 mH（默認無車輛駛?cè)霑r電感初始值），第二次仿真L 設(shè)置為10 mH，以此模擬車輛經(jīng)過地感線圈引起的線圈地感值。Analysis Type、Run To Time、Start Saving Date After、Maximum Step Size為仿真參數(shù)。本文在仿真測試過程中，第一次仿真與第二次仿真除電感值以外，均采用相同仿真參數(shù)。

表2 仿真參數(shù)

其中，第一次仿真結(jié)果如圖7 所示。采用33 mH 作為輸入電感值，則輸出得到的方波頻率約為4.16 kHz。

圖7 30 mH 電感仿真結(jié)果

第二次仿真結(jié)果如圖8 所示。當汽車駛?cè)牒?，線圈電感值將會變小，因此采用10 mH 作為輸入電感值，則輸出得到的方波頻率約為6.46 kHz。

圖8 10 mH 電感仿真結(jié)果

綜合上述仿真結(jié)果，對比圖7 和圖8，可以看出，通過改變輸入的電感值L，經(jīng)本文所設(shè)計的電路處理，輸出的頻率f 是不相同的。通過和初始值頻率f 相比較，可判斷有無車輛經(jīng)過線圈。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于地感線圈的車輛駛?cè)霗z測電路，主要采用STM32F103VBT6 微處理器芯片，設(shè)計了調(diào)諧震蕩電路與波形整形電路。通過調(diào)諧震蕩電路實現(xiàn)了電感到電壓頻率的轉(zhuǎn)換，通過波形整形電路實現(xiàn)了標準的方波信號，最終實現(xiàn)了將線圈的地感信號轉(zhuǎn)換成電壓方波的頻率信息。通過軟件仿真，模擬驗證了不同車輛行駛狀態(tài)導致線圈電感值變化的場景，結(jié)果得到了不同頻率的輸出信號，繼而驗證了本文所設(shè)計信號采集電路的正確性。本文設(shè)計的信號采集電路為線圈信號采集電路在交通物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應用提供了一種簡單可行的設(shè)計方案。