基于地感线圈的车辆驶入检测电路设计及仿真

周亚，戴伟，张鑫，徐 丽

（中科芯集成电路有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

随着互联网、云计算等技术的发展，物联网被广泛应用于交通行业[1]。根据不同的应用场景，有各式各样的传感器来满足其应用需求。常见的交通物联网传感器包括射频识别类传感器、红外线感知类传感器、GNSS 卫星定位类传感器[2]、激光扫描类传感器以及地磁感应类传感器。其中，地感线圈由于成本低、检测精度较高、工程安装便捷等特点，具有较好的适用性[3]。当前的研究多集中在以地感线圈作为传感器的系统级别研究，针对地感线圈信号采集电路设计不多。可采用微型地感线圈，用于为交通流量调查系统提供车流量数据[4]；同一车道布设两个地感线圈可以进行车辆车速的测量[5]。可以利用地感线圈作为基础信号感知的输入源，与交通信号灯进行联控，继而实现了交通信号灯的智能化控制[6]。在交通治超领域，可以将地感线圈同称重传感器结合，作为动态称重（Weigh In Motion，WIM）系统的一部分，实现车辆的动态称重[7]。

基于此，本文对地感线圈工作原理进行了分析，在此基础上进行地感线圈信号的采集电路设计，并通过PSpice 软件仿真，对设计的电路进行了验证，可为交通物联网领域的应用起到参考与借鉴作用。

1 地感线圈工作原理

地感线圈是由导线绕成的线圈，结构示意图如图1 所示。通常地感线圈选型采用1.0 mm 的铜芯软导线[8]。

图1 地感线圈结构示意图

地感线圈处于通电状态时，在地感线圈周围会形成一个交变的电磁场，根据电磁感应原理，当有金属物体通过地感线圈产生的交变磁场时，会导致地感线圈的磁通量变化，产生感应电流，这种闭合回路电流也称之为涡流。

由电磁场理论可知，导线会在其周围产生磁场，对于N 匝、长度为S 的螺线管型线圈，其自感量计算[9]如式（1）所示：

式中，μr为线圈介质的相对磁导率，μ0=4π×10-7H/m，A为线圈的环绕面积。

地感线圈在交通物联网的实际应用中，正是基于该理论。在路面埋设了地感线圈，当车辆经过时，车辆会和线圈发生磁感应，生成一个信号。由于车辆在线圈产生的磁场中自身产生涡流，该涡流产生的磁场与地感线圈产生的磁场极性相反，削弱了线圈原有磁场，导致线圈的电感量变小。实际应用中，通过检测地感线圈电感量数值的变化来判断有无车辆行驶经过。

2 电路设计

2.1 电路总体设计

地感线圈信号采集流程设计如图2 所示。整个流程主要包括四部分：地感线圈、调谐振荡电路、波形整形电路、信号处理电路。

图2 地感线圈信号采集流程

当车辆经过地下埋设的线圈时，线圈产生一个电感量L，经过调谐振荡电路和波形整形电路处理得到频率为f 的电压方波信号，最后经过微处理器进行处理。

地感线圈电感量初始值为L1（无车辆驶入），频率为f1；当有车辆驶入时，地感线圈电感量发生变化为L2，频率为f2。通常L1＞L2。将正弦波经波形整形电路后送入信号处理电路检测，通过比较f2和初始值f1，判断有无车辆驶入。

2.2 关键电路原理图

2.2.1 调谐振荡电路

本文设计所采用的调谐振荡电路类型为电容三点式振荡电路（LC 振荡电路）。其电路原理图如图3 所示。

图3 LC 振荡电路原理图

电容三点式振荡电路是指两个电容的3 个端分别与晶体管的3 个极相连接，顾又称为电容反馈式振荡电路或Colpitts 振荡电路（考毕兹振荡电路）。电容三点式振荡电路具有输出波形较好，振荡频率高等优点。图3中，L1是回路地感线圈，C1、C2是耦合电容，C3、C4是回路电容，C5 是高频旁路电容。设计过程中，通常将高频旁路电容和耦合电容取值比回路电容大一个数量级以上。

对于一个具体的振荡电路，振幅的增大主要依赖于三极管的集电极静态电流，若该值设置太大，则三极管容易进入饱和状态，继而导致振荡波形失真，甚至引起振荡电路停振。设计过程中，一般Ic取值范围为1 mA～4 mA。

为了改善输出波形和提高工作点的稳定性，在发射机上串接了电阻Re，构成电流串联负反馈。正弦波振荡电路产生持续等幅振荡的必须满足振幅平衡条件及相位平衡条件，其中，振幅平衡条件公式为：

其中，Av为放大电路增益，Fv为反馈增益，

相位平衡条件为：

反馈系数由式（4）计算可得。

反馈系数为经验值，一般取0.1～0.5，取值过小则不容易起振。

当电路同时满足振幅平衡条件与相位平衡条件时，电路就能起振。振荡频率为f，可由式（5）计算所得[10]。

其中，电容C 由式（6）计算可得：

考虑到rce和rbe的影响，实际振荡频率略高于计算所得数值。

2.2.2 波形整形电路

波形整形电路如图4 所示。

图4 波形整形电路原理图

波形整形电路由一个电压比较器组成，当输入正弦波波形电压高于0 V 时输出高电平，低于0 V 时则输出低电平，将输出电压限幅在0～3.3 V，从而将频率为f 的正弦波整形为频率为f 的方波，便于信号处理电路检测处理。

2.2.3 信号处理电路

信号处理电路主要是利用微处理器中的定时器的输入捕获功能，兼顾性价比，本设计微处理器选用STM-32F103CBT6。STM32F103CBT6是意法半导体（ST）公司的低功耗、低电压、高性能的ARM 内核芯片，广泛应用于工业、医疗、消费行业等市场领域。

该芯片的关键参数如表1 所示。

表1 算法运行时间比较

根据交通流量检测系统的功能及接口需求，保证系统具有较高抗干扰性能和工作可靠稳定，微处理器需集成CAN 控制器，方便与其他模块通信，微处理器需集成通用定时器，作为输入捕获的使用，输入捕获模式可以用来测量脉冲宽度或者测量频率。

假定定时器工作在向上计数模式，输入捕获测量高电平脉宽的原理如图5 所示。

图5 测量高电平脉宽原理图

图5 中t1～t2时间表示实际所需测量的高电平时间。测量方法如下：首先设置定时器通道x 为上升沿捕获，在t1时刻，将会捕获到当前的CNT值，然后立即清零CNT值，并设置通道x 为下降沿捕获。当进行到t2时刻，再次发生捕获事件，得到此时的CNT值，记为CCRx2。至此，根据定时器的计数频率，就可以算出t1～t2的持续时间，从而得到高电平脉宽，最终将脉冲高电平宽度时间转化为频率f。

3 仿真实验

PSpice 是MicroSim 公司推出的一款EDA 软件，具有精度高、实用性强、仿真效果好等优点，是世界著名的电路仿真标准之一。PSpice 具有强大的电路绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号绘制功能，以图形方式，自动进行电路检查，模拟和计算电路。本文设计的仿真电路如图6 所示。

图6 仿真电路图

图6中，由三极管Q1 组成共射极振荡器，电阻R4是三极管的公共射极电阻，R1、R3 组成Q1 基极偏置电阻，为三极管提供固定基极电压。其中L1 外接地感线圈，形成等效电感L，L 与并联的电容C3 和C4 形成振荡回路，LC 值决定了振荡频率。U1A 是电压比较器，起到波形整形的作用。

电感L1 用于模拟电感线圈，模拟车辆通行经过线圈产生不同电感值的场景。

两次仿真的主要参数如表2 所示。表2中，L 为输入参数，第一次仿真L 设置为30 mH（默认无车辆驶入时电感初始值），第二次仿真L 设置为10 mH，以此模拟车辆经过地感线圈引起的线圈地感值。Analysis Type、Run To Time、Start Saving Date After、Maximum Step Size为仿真参数。本文在仿真测试过程中，第一次仿真与第二次仿真除电感值以外，均采用相同仿真参数。

表2 仿真参数

其中，第一次仿真结果如图7 所示。采用33 mH 作为输入电感值，则输出得到的方波频率约为4.16 kHz。

图7 30 mH 电感仿真结果

第二次仿真结果如图8 所示。当汽车驶入后，线圈电感值将会变小，因此采用10 mH 作为输入电感值，则输出得到的方波频率约为6.46 kHz。

图8 10 mH 电感仿真结果

综合上述仿真结果，对比图7 和图8，可以看出，通过改变输入的电感值L，经本文所设计的电路处理，输出的频率f 是不相同的。通过和初始值频率f 相比较，可判断有无车辆经过线圈。

4 结论

本文设计了基于地感线圈的车辆驶入检测电路，主要采用STM32F103VBT6 微处理器芯片，设计了调谐震荡电路与波形整形电路。通过调谐震荡电路实现了电感到电压频率的转换，通过波形整形电路实现了标准的方波信号，最终实现了将线圈的地感信号转换成电压方波的频率信息。通过软件仿真，模拟验证了不同车辆行驶状态导致线圈电感值变化的场景，结果得到了不同频率的输出信号，继而验证了本文所设计信号采集电路的正确性。本文设计的信号采集电路为线圈信号采集电路在交通物联网领域的应用提供了一种简单可行的设计方案。