磁阻车辆检测器的低功耗设计

此误差在理论上为零。因此，车辆在高速运行状态下，中断启动方式可以实现。

②假设车速为30 km/h(即8.3 m/s)，车辆通过传感器的时间t=2/8.3=241 ms，MCU与射频电路由睡眠状态唤醒需要的时间为0.2 ms，误差为0.2/241=0.09%。因此，误差很低可以忽略不计。

由以上分析可知，此方法误差很小，利用此方式对系统测量误差影响很小，方法可行。

(2)功耗分析

①假设车速200 km/h，车辆安全间距为200 m，因此MCU和射频芯片间歇时间为200/55.6=3.6 s，而MCU与射频电路正常工作时间仅为t=2/55.6=36 ms，采用此方法可以将功率消耗减少到0.036/(3.6+0.036)=1%。降低功耗效果明显。

②假设车速为30 km/h(即8.3 m/s)，安全距离为30 m，处理器与无线射频间歇时间为30/8.3=3.6 s，工作时间为t=2/8.3=241 ms，则功率消耗降低为0.241/(0.241+3.6)=6.3%。

由以上分析可知，利用MCU与射频芯片的休眠功能，可以很大程度上降低系统消耗功率，特别是在高速路段，可以将系统消耗功率降低为原来的1%，且即使车辆在低速运行过程中，功率也能降低为原来的1/16。

2.2 降频降耗法

MCU的耗能主要与其工作电压和工作频率有关[8]。MCU消耗功率P与工作电压和工作频率的关系可由如下公式得到：

P=CV2f (4)

其中C为系统的负载电容，V为电源电压，f为系统工作频率。由公式可以看出，电源电压的大小对系统功耗影响很大(以二次方的形式增加)，其次是系统的工作频率和系统负载电容。一般系统的负载电容难以控制，所以，在不影响系统工作性能的情况下，选用较低的工作电压和工作频率可以有效地降低系统的功耗。

以MSP430单片机为例，MSP430系列单片机具有双时钟的特性，当系统工作频率为4 kHz、工作电压为3 V时，MCU消耗电流最大为32μA，是系统频率为1 MHz时消耗功率(595 μA)的1/18，功率降低明显。

可行性分析：传感器输出的数据波形需要利用波形宽度和波峰位置信息，如果不用A/D也可获得这两种信息，可以通过降低MCU主频来降低功耗。该方法的核心问题是寻找替代A/D的测量方式。

一般传感器检测到的信号波形类似于正弦波，波形通过一级高增益放大器放大波形进行波形转换，放大器输出峰值为3.3 V的类方波，系统省略一级波形转换电路，利用中断方式触发MCU。当放大器输出电压值达到1.8 V时，MCU将其判断为高电平，即可触发MCU产生中断，MCU利用测周期方法测量类方波的宽度，并计算出两个波峰间距。各个模块的信号波形如图2所示。

假设车辆最高时速为200 km/h(即55.6 m/s)，车身长为2 m，车辆通过传感器的时间为t=2/55.6=36 ms。MCU采用主频4 kHz运行，系统测量误差为1/4 000=0.25 ms，因此测量宽度为36 ms的波形误差为0.25/36=0.7%。?驻t大约为整个波形周期的1/20，而此部分可以利用软件补偿，理论上此误差为零。

2.3 软件低功耗设计

软件低功耗的设计目的就是充分利用应用所允许的最深睡眠状态，确保芯片尽可能长时间地保持在这一状态下。软件协议降低功耗主要从以下几个方面设计：(1)构建低功耗的无线传感器网络节点；(2)根据终端节点与接入点之间的距离，利用功率控制技术智能调节发射功率，以降低节点无线通信模块的能量消耗。软件流程图如图3所示。

3 实验结果

车辆经过检测器，系统由休眠状态唤醒，读取当前时刻值，测量两次中断宽度，将信息数据发送至网络父节点。每次中断唤醒，系统向其父节点发送一帧包含车辆信息的数据包，因此，只有在唤醒状态下，系统功率消耗才会增加。通过实验，得到功耗降低明显，在10 min测量时间内，有休眠与无休眠电流曲线比较图如图4所示。

降低系统功耗不但可以节约能源，而且可以减小硬件体积、延长硬件使用寿命，因此低功耗设计越来越受到人们的重视。低功耗在系统硬件设计及软件设计、器件的工艺设计等方面具有较明显的效果。本文分析了车辆检测器电路功耗特性，提出了休眠降耗法和降频降耗法，实验结果证明这两种方法降低系统功耗明显，即使在繁忙的工作时段也能降低70%以上的功耗，从而延长终端节点的使用寿命，使系统更具有实用性。