磁感应MEMS在智能停车电路中的应用

文章作者:Steve Taranovich

开着车到处找停车的地方是一种“碰运气”的努力。在这种情况下，你的车里必须有一个设备，它可以定位该地区的可用停车位并引导你正确到达那里。

上面的例子只是在设计中使用磁感应(MI)传感器的应用程序的一种情况。这种类型的传感器还有无数其他的可能性，只是受限于设计师的想象力。

MI传感器IC

PNI有一个MI传感器IC, MS2100，由两个MI传感器组成的两轴传感解决方案和一个控制ASIC。在下面的教程中，我们将使用这个传感器作为示例。以下是MI传感器是如何工作的，以及如何将PNI解决方案与我所见过的其他任何性能区别开来。

使用MI传感器的方法有很多，但通常的电路包括一个L/R振荡器配置，MI在施密特触发器的反馈(图1)。

图1:典型的MI传感电路设计。

平行于线圈的磁场如图HE所示。H是MI所见的总磁场，它是两个元素的函数:由电路中电流I形成的磁场和外部磁场。方程H = k₀I + HE，其中k₀是一个常数，取决于特定传感器的物理参数。

对于图1，假设在Schmitt触发器输入a处有一个“0”值;例如，0或一些小于触发值的值。输出然后反转电压的逻辑“1”,我们将调用与现在对整个整个MI传感器电压,直到点电压达到施密特触发器阈值电压,VH,和被视为逻辑“1”点,从而使输出逻辑“0”。现在MI传感器上的电压被压低，结果是一个持续的振荡(图2)。

图2:振荡器电路的波形。电流I跟随A点的电压波形。

这就是PNI的磁感应传感技术的基本原理。PNI设万博投注网址计的MI传感器采用了一个螺线管几何线圈，该线圈包裹在一个高磁导率磁芯上。这种高渗透性材料的电感随外加磁场的变化而变化。因此传感器的电感μ是磁场H的函数(图3)。

图3:图中显示了高渗透性材料的电感(μ)与磁场H的关系。

图1中Rb为偏置电阻，选择偏置电阻和Schmitt触发器上的电压VS，使传感器磁场处于图3所示磁导率曲线的非线性区域。

现在，让我们看看在没有外加磁场的情况下，以正偏置或负偏置驱动电路时的电压输出(图4)。

图4:没有外加磁场时传感器电路的性能曲线。当有正偏或负偏时，振荡周期是相同的。

现在我们施加一个外部磁场，HE，也可以是地球的磁场，我们看到，正偏和负偏曲线，都向同一个方向移动。可以看出，当电路处于正偏置时，位移导致电感增大，当电路处于负偏置时，电感减小。这一效应导致两个周期之间的时间τ对于正偏电路来说是增大的，对于负偏电路来说是减小的(图5)。

图5:这里显示了外加磁场的传感器电路的工作原理。

现在，如果我们测量在正极性和反极性方向上，完成固定数量的振荡或周期的时间，然后取这两个值的差，我们就可以得到外部磁场的强度。

句PlacePod

虽然业内已有产品，但缺乏准确及时的车辆检测。输入PNI PlacePod，这是一种物联网智能停车传感器，可在私人或市政停车管理设施中方便街道上或街道外停车。PNI声称，这是业界最精确的车辆检测磁性传感器系统。该系统结合了PNI的三轴RM3100地磁传感器和SENtral-A2协处理器，以及精确检测特定停车位中车辆是否存在的算法(该设备有两种状态:空车和车辆停放)(图6)。

图6:PlacePod提供端到端加密、多节点和易于安装。它还与第三方网络集成。

PNI的设计在该领域脱颖而出的一个主要原因是，这些传感器和成熟的算法都是为超低功耗设计的，并持续处于on状态，与其他进入睡眠模式以节约能源的系统不同，这是你可能错过车辆进入或离开停车位的时间。我认为这一点和以下理由是设计师选择这一解决方案的一个非常有说服力的理由。

其他一些功能使这款设备与众不同:

• 温度稳定性是至关重要的，特别是在不同的室外温度。温度稳定性是器件固有的，因为PNI的MI电路具有反向正向偏置的特性，会使器件散热(即，变得独立于温度或热效应)的输出，因为偏置电阻或过温电感的变化都在正向和反向两个方向上经历，因此被抵消。
• 该装置本质上是一个数字输出，它产生一个与所施加磁场直接相关的明确定义的值。许多其他设备有一个模拟输出，这将需要在外部增加一个运放和A到D转换器。
• 使用基本电路，该器件能够达到10nT的高分辨率。其他设备有噪声下限，这限制了它们的分辨率，或者为了使用外部组件获得更好的分辨率，成本更高。
• 由于MI技术，设备的低功耗与采样率成反比。对于8Hz的采样率，功耗通常为1.5mW;在300Hz的采样率下，它是7.5mW。一个磁阻传感器(MR)解决方案通常消耗15mW到30mW。10年的电池寿命可能取决于配置和设备从网关的距离。
• 这种装置不需要像MR技术那样进行复位，MR技术通常需要通过传感器发送高电流脉冲来复位芯材内部的磁畴。这个重置脉冲也产生一个大的峰值功率几瓦，这可能导致问题在其他设备在系统。
• 由于MI电路的正向反向偏置特性，在MI传感器中没有迟滞影响精度。

该系统使用BLE简化无线设置和校准，并通过移动或桌面应用程序提供诊断和软件更新。通过内置的LoRaWAN 1.0兼容物联网，远程915MHz基于lora的无线电模块，用于通信(使用北美和欧洲的sub-GHz ISM波段)和一个lora启用的网关。

该装置可以嵌入地面，也可以插入街道、道路或多层/单层停车结构中的停车位，因为它有一个坚固的聚碳酸酯外壳(图7)。

图7:一个高精度的例子，智能停车传感器技术。

最后，该设备通过MIL-STD-810G和NMEA Type 4 IP67 (IEC60529)环境测试。

由EDN首次出版。