CN203084928U - 一种基于tmr技术的车辆检测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于TMR技术的车辆检测器，包括微处理器、TMR地磁传感器芯片、运算放大器、光伏能量采集与供电单元、微波射频通讯器及其收发天线。TMR地磁传感器芯片的输出信号经运算放大器放大后输入到微处理器的信号输入端，微处理器的控制输出端连接光伏能量采集与供电单元的控制输入端，微处理器的通讯端连接微波射频通讯器的通讯端，收发天线连接微波射频通讯器的天线端，光伏能量采集与供电单元通过两路电源输出供电各功能部件。本方案使用TMR技术检测车辆，有完善的太阳能利用及无线传输机制，产品安装简便、工作稳定可靠、环保节能效益显著，适用于各种智能交通应用。

Description

一种基于TMR技术的车辆检测器

技术领域

本实用新型涉及一种智能交通领域中的车辆检测器，特别涉及一种基于TMR隧道磁电阻技术的车辆检测器。

背景技术

车辆检测器(以下简称‘车检器’)在智能交通系统(以下简称‘ITS’)中，主要用于检测及分析得到车辆存在状态、方向、速度等现场信息，是ITS感知层的核心功能部件。

近十年来，随着智能交通系统得到越来越多的推广应用，自动化车辆检测技术也得以蓬勃发展，在长期的工程实践中，发现有几个问题亟待优化改进：1、目前业界普遍使用地感线圈式车检器来检测车辆，这需要切割破坏路面，降低了道路耐用性的同时也加重了保养负担；2、地磁式车检器由于安装简便正慢慢兴起，但目前绝大多数的地磁式车检器采用的是AMR各向异性磁阻式传感器技术，该技术动态范围较窄容易受外界突发性强磁场影响而失灵，导致误判或漏判，尽管可以使用复位/置位电路，但增加了信号处理与控制的运算复杂度，也制约了产品性能的改善空间；3、车检器大多采用外部供电，少数采用内部电池供电的无线产品使用两年左右即须更换电池，后期维护量不容轻视，这当中也有结合太阳能补充电能的方案，但其吸收转换效率不高，小能量流失浪费情况严重；4、现有车检器绝大部分以有线方式连接上位机，有一定的线材消耗、土建施工及后续维护等成本投入。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题，在于避免上述现有技术方案的不足之处而提出一种采用隧道磁电阻(Tunneling Magneto Resistive，简称TMR)传感器技术检测车辆，具有灵敏度高、动态范围宽、线性度好、磁滞小、检测与通讯稳定可靠且节能环保的车辆检测器。

本实用新型解决所述的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

设计、使用一种基于TMR技术的车辆检测器，包括微处理器、TMR地磁传感器芯片、运算放大器、光伏能量采集与供电单元、微波射频通讯器及其收发天线；所述TMR地磁传感器芯片的信号输出端与所述运算放大器的信号输入端电连接，所述运算放大器的信号输出端与所述微处理器的信号输入端电连接，所述微处理器的控制输出端与所述光伏能量采集与供电单元的控制输入端电连接，所述微处理器的通讯端与所述微波射频通讯器的通讯端电连接，所述收发天线与所述微波射频通讯器的天线端电连接，所述光伏能量采集与供电单元的第一电源输出端与所述微处理器的电源输入端以及所述微波射频通讯器的电源输入端电连接，所述光伏能量采集与供电单元的第二电源输出端与所述TMR地磁传感器芯片的电源输入端及所述运算放大器的电源输入端电连接。

所述微处理器，具备低功耗及高运算效能特性，片内集成ADC转换器。

所述微波射频通讯器及其收发天线，是所述微处理器与上位机进行高速无线通讯的功能部件，所述无线通讯的工作频段包括：ISM433MHz频段、ISM2.4GHz频段或5.8GHz频段。

进一步地，所述微波射频通讯器，可与所述微处理器一体化集成为高性能的无线SOC处理器内，所述无线SOC处理器，可以为Nordic公司的nRF24LE1或nRF51系列芯片，或TI公司的CC430。

所述TMR地磁传感器芯片，是一种采用TMR隧道磁电阻技术检测地球磁场变化的线性传感器元件，具有宽动态范围、高灵敏度、低磁滞及低功耗特性，能准确测量出车辆对地磁在单轴或多轴方向上的扰动变化。

更进一步地，上述TMR地磁传感器芯片，是江苏多维科技有限公司的TMR线性传感器芯片，可以为MMLP57F或MMLP49F。

所述运算放大器，是一种单电源CMOS运算放大器，具有较宽的带宽及低供电电压、低静态电流消耗特性，可作为A/D转换器的驱动放大器，封装形式可以是单运放或多运放。

所述光伏能量采集与供电单元，包括：太阳能电池板、能量采集芯片、内置后备电池、第一MOS管、二极管、储能器件、稳压器及第二MOS管；所述太阳能电池板的正极连接所述能量采集芯片的输入端，所述内置后备电池的正极连接所述第一MOS管的输入端，所述第一MOS管的输出端连接所述二极管的输入端，所述储能器件的正极与所述能量采集芯片的输出端、所述二极管的输出端以及所述稳压器的输入端相连接，所述稳压器的输出端连接所述第二MOS管的输入端，所述微处理器的控制输出端连接所述第二MOS管的控制输入端，所述稳压器的输出端为第一电源输出端，所述第二MOS管的输出端为第二电源输出端。

更进一步地，所述太阳能电池板，包括单晶硅、多晶硅或非晶硅太阳能电池板；所述能量采集芯片具有最大功率点跟踪、控制功能，并具有监测所述储能器件正极电压以提供充电控制信号的功能，所述充电控制信号从所述能量采集芯片的控制端输出至所述第一MOS管的控制端，用以控制所述内置后备电池向所述储能器件进行充电；所述内置后备电池，是具有耐高温、低自放电特性的、不可充电的一次性电池，可以是锂/亚硫酰氯电池或锂/二氧化锰电池；所述储能器件，包括超级电容、复合电容、可充电锂电池或薄膜电池。

更进一步地，所述能量采集芯片，可以为TI公司的BQ25504、LINEAR公司的LTC3105或MAXIM公司的MAX17710。

同现有技术相比较，本实用新型一种基于TMR技术的车辆检测器，具有如下技术效果：1、采用TMR传感器技术检测车辆，使得车检器具备小型化、宽动态、低功耗、高响应频率和高灵敏度特性，检测处理无须额外的复位/置位控制电路，能排除现有多种突发磁场干扰所带来的工作失灵，大大降低了异常情况分析、判断与控制的运算复杂度，提高了产品的稳定性、可靠性与实时性；2、具备低至微瓦级弱小能量的采集能力与后备电池充电机制，产品能7X24小时不间断工作，大大延长了电池的更换周期，环保节能效益显著；3、使用高性能微处理器结合微波射频通讯器的信号处理及无线通讯机制，产品适用面广、安装快捷简便，大大降低了工程成本，同时也使路面更加坚固耐用。

附图说明

图1是本实用新型车辆检测器结构原理示意图；

图2是本实用新型车辆检测器中的光伏能量采集与供电单元结构原理示意图。

具体实施方式

如图1，本实用新型一种基于TMR技术的车辆检测器，包括：微处理器4、TMR地磁传感器芯片1、运算放大器2、光伏能量采集与供电单元3、微波射频通讯器5及其收发天线51；所述TMR地磁传感器芯片1的信号输出端与所述运算放大器2的信号输入端电连接，所述运算放大器2的信号输出端与所述微处理器4的信号输入端电连接，所述微处理器4的控制输出端与所述光伏能量采集与供电单元3的控制输入端电连接，所述微处理器4的通讯端与所述微波射频通讯器5的通讯端电连接，所述收发天线51与所述微波射频通讯器5的天线端电连接，所述光伏能量采集与供电单元3的第一电源输出端与所述微处理器4的电源输入端以及所述微波射频通讯器5的电源输入端电连接，所述光伏能量采集与供电单元3的第二电源输出端与所述TMR地磁传感器芯片1的电源输入端及所述运算放大器2的电源输入端电连接。

如图2，所述光伏能量采集与供电单元3，包括：太阳能电池板31、能量采集芯片32、内置后备电池33、第一MOS管34、二极管35、储能器件36、稳压器37及第二MOS管38；所述太阳能电池板31的正极连接所述能量采集芯片32的输入端，所述内置后备电池33的正极连接所述第一MOS管34的输入端，所述第一MOS管34的输出端连接所述二极管35的输入端，所述储能器件36的正极与所述能量采集芯片32的输出端、所述二极管35的输出端以及所述稳压器37的输入端相连接，所述稳压器37的输出端连接所述第二MOS管38的输入端，所述微处理器4的控制输出端连接所述第二MOS管38的控制输入端，所述稳压器37的输出端为第一电源输出端，所述第二MOS管38的输出端为第二电源输出端。

所述太阳能电池板31，包括单晶硅、多晶硅或非晶硅太阳能电池板，由于多晶硅性价比高，作为最优，使用多晶硅太阳能电池板。

所述能量采集芯片32，具有最大功率点跟踪、控制功能，并具有监测所述储能器件正极电压以提供充电控制信号的功能，可以是TI公司的BQ25504、LINEAR公司的LTC3105、或MAXIM公司的MAX17710，作为最优，选择具有MPPT最大功率点跟踪功能、太阳能采集效率较高的TI公司的BQ25504芯片。

所述内置后备电池33，是具有耐高温、低自放电特性的、不可充电的一次性电池，可以是锂/亚硫酰氯电池或锂/二氧化锰电池，作为最优，使用温度特性最好的锂/亚硫酰氯电池。

所述第一MOS管34及第二MOS管38，主要用作电源控制开关，作为最优，选用低电平导通且压降较小的PMOS管。

所述储能器件36，包括超级电容、复合电容、可充电锂电池或薄膜电池，作为最优，使用性价比最高的超级电容作为储能器件，容量范围0.5F-10F；

所述TMR地磁传感器芯片1，是一种采用TMR隧道磁电阻技术检测地球磁场变化的线性传感器元件，具有宽动态范围、高灵敏度、低磁滞及低功耗特性，能准确测量出车辆对地磁在单轴或多轴方向上的扰动变化，作为最优，采用性价比最高的江苏多维科技有限公司的MMLP49F，该芯片是一种使用TMR隧道磁电阻技术的体积小巧灵敏度高的单轴地磁传感器芯片，在本实施例中使用了三个来采集得到XYZ三个正交轴向的地磁信号。该芯片采用了一个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR传感器元件。当外加磁场沿平行于传感器敏感方向变化时，惠斯通全桥提供差分电压输出，并且该输出具有良好的温度稳定性、较宽的动态范围以及较好的线性度与灵敏度，无须配置复位/置位电路，这些特性是AMR各向异性磁阻式传感器技术所不能比拟的，因此在大幅提高车辆检测各方面性能指标的同时，也降低了产品生命周期各阶段的成本投入，也节省了宝贵的能源。

所述运算放大器2，是一种单电源CMOS运算放大器，具有较宽的带宽及低供电电压、低静态电流消耗特性，可作为A/D转换器的驱动放大器，封装形式可以是单运放或多运放，本实例选用了MicroChip公司的MCP601单运放和MCP602双运放各一片，构成三路分别对TMR地磁传感器芯片XYZ三个轴向的信号进行驱动放大。

所述微处理器4，具备低功耗及高运算效能特性，片内集成ADC转换器，本实例中选用Nordic公司的超低功耗带增强性8051内核及高精度ADC转换器的nRF24LE1芯片。

所述微波射频通讯器5及其收发天线51，是所述微处理器4与上位机进行高速无线通讯的功能部件，所述无线通讯的工作频段可以是ISM433MHz频段、ISM2.4GHz频段或5.8GHz频段，本实例中选用Ti公司的超低功耗ISM433频段无线收发及唤醒器CC1101芯片。

本实例中，应用TMR地磁传感器技术检测车辆的原理是：地球具有磁性，地球周围空间分布着磁场，地磁在相对于停车场大小的区域内基本是一定的，磁场范围在0.3～0.7Oe。铁磁性的物质在磁场中会引起磁场的扰动，使磁力线扭曲和畸变，这是由于铁的磁导能力远高于空气的磁导能力。车辆上含有大量的铁件，对它周围的地磁场产生了明显的扰动，因此，使用MMLP49F TMR传感器就能很好的采集得到这些实时变化的优质的模拟电信号，并经过运放驱动后，输入微处理器进行车辆存在与否、方向、速度等指标的分析与处理，在此不在赘述。

本例具体工作过程为：首先是确定微处理器4与上位机无线通讯的工作频点及相关运行参数，使之能够通讯匹配对接、互通互联；其次，为了节约能源，本实例通过对TMR地磁传感器芯片1及运算放大器2定时上电的方式，跟踪并获取磁场变化信息，也就需要预先确定微处理器4控制光伏能量采集与供电单元3中第二电源输出的开关时间间隔及时间长度，并将相关参数保存在车检器内部的Flash中；接下来，当产品安装完毕上电运行，微处理器4除了通过通讯端初始化微波射频通讯器5以外，还须在无车状态下人工进行磁偏归零化操作，这样微处理器才能准确处理实际过车所产生的磁场变化，并由此分析运算得到检测结果；微处理器4再把检测结果通过微波射频通讯器5，以无线方式发送到上位机，然后又重新转入定时扫描及信号检测过程。

本实用新型车辆检测器，在上电工作过程中，光伏能量采集与供电单元3承担着能量采集、转存及充电、稳压作用。同时，能量采集芯片32具备实时监测储能器件36正极电压变化的机制，所以在通常情况下，完全可以利用太阳能作为主要供电，一旦发现储能不足，立即通过充电控制信号打开第一MOS管34使用内置后备电池33供电，直到判定储能充足后，第一MOS管34才受控关闭，停止内置后备电池33向储能器件36供电，该管理机制有效地利用了太阳能，环保节能效益显著。

Claims (10)

1.一种基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于，包括：微处理器、TMR地磁传感器芯片、运算放大器、光伏能量采集与供电单元、微波射频通讯器及其收发天线；所述TMR地磁传感器芯片的信号输出端与所述运算放大器的信号输入端电连接，所述运算放大器的信号输出端与所述微处理器的信号输入端电连接，所述微处理器的控制输出端与所述光伏能量采集与供电单元的控制输入端电连接，所述微处理器的通讯端与所述微波射频通讯器的通讯端电连接，所述收发天线与所述微波射频通讯器的天线端电连接，所述光伏能量采集与供电单元的第一电源输出端与所述微处理器的电源输入端以及所述微波射频通讯器的电源输入端电连接，所述光伏能量采集与供电单元的第二电源输出端与所述TMR地磁传感器芯片的电源输入端及所述运算放大器的电源输入端电连接。

2.如权利要求1所述的基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于：所述光伏能量采集与供电单元，包括：太阳能电池板、能量采集芯片、内置后备电池、第一MOS管、二极管、储能器件、稳压器及第二MOS管；所述太阳能电池板的正极连接所述能量采集芯片的输入端，所述内置后备电池的正极连接所述第一MOS管的输入端，所述第一MOS管的输出端连接所述二极管的输入端，所述储能器件的正极与所述能量采集芯片的输出端、所述二极管的输出端以及所述稳压器的输入端相连接，所述稳压器的输出端连接所述第二MOS管的输入端，所述微处理器的控制输出端连接所述第二MOS管的控制输入端，所述稳压器的输出端为第一电源输出端，所述第二MOS管的输出端为第二电源输出端。

3.如权利要求2所述的基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于：所述太阳能电池板，为单晶硅、多晶硅或非晶硅太阳能电池板；所述能量采集芯片具有最大功率点跟踪、控制功能，并具有监测所述储能器件正极电压以提供充电控制信号的功能，所述充电控制信号从所述能量采集芯片的控制端输出至所述第一MOS管的控制端，用以控制所述内置后备电池向所述储能器件进行充电；所述内置后备电池，是具有耐高温、低自放电特性的、不可充电的一次性电池，为锂/亚硫酰氯电池或锂/二氧化锰电池；所述储能器件，为超级电容、复合电容、可充电锂电池或薄膜电池。

4.如权利要求3所述的基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于：所述能量采集芯片为TI公司的BQ25504、LINEAR公司的LTC3105或MAXIM公司的MAX17710。

5.如权利要求1至4之任一项所述的基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于：所述微处理器，具备低功耗及高运算效能特性，片内集成ADC转换器。

6.如权利要求1至4之任一项所述的基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于：所述微波射频通讯器及其收发天线，是所述微处理器与上位机进行高速无线通讯的功能部件，所述无线通讯的工作频段为ISM433MHz频段、ISM2.4GHz频段或5.8GHz频段。

7.如权利要求1至4之任一项所述的基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于：所述微波射频通讯器，可与所述微处理器一体化集成为高性能的无线SOC处理器，所述无线SOC处理器，为Nordic公司的nRF24LE1或nRF51系列芯片，或TI公司的CC430。

8.如权利要求1至4之任一项所述的基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于：所述TMR地磁传感器芯片，是一种采用TMR隧道磁电阻技术检测地球磁场变化的线性传感器元件，具有宽动态范围、高灵敏度、低磁滞及低功耗特性，能准确测量出车辆对地磁在单轴或多轴方向上的扰动变化。

9.如权利要求8所述的基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于：所述TMR地磁传感器芯片是江苏多维科技有限公司的TMR线性传感器芯片，为MMLP57F或MMLP49F。

10.如权利要求1至4之任一项所述的基于TMR技术的车辆检测器，其特征在于：所述运算放大器，是一种单电源CMOS运算放大器，具有较宽的带宽及低供电电压、低静态电流消耗特性，可作为A/D转换器的驱动放大器，封装形式可以是单运放或多运放。

Images