基于藍(lán)牙的車輛胎壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

摘 要： 礦山車輛胎壓監(jiān)測是以無損檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，通過研究車輛胎壓的實時信號，了解礦山車輛的輪胎氣壓的變化特性，從而達(dá)到礦山車輛安全監(jiān)控提供依據(jù)。描述了以LPC2132 為核心構(gòu)成的胎壓的監(jiān)控裝置的研究。通過帶有藍(lán)牙的傳感器模塊采集車輛胎壓信號，經(jīng)過調(diào)理電路后進(jìn)行比較計算，若超過規(guī)定值就報警，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到車載CAN 總線上。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套基于藍(lán)牙的胎壓監(jiān)控裝置，硬件系統(tǒng)主要由傳感器、LPC2132 處理器，信號調(diào)理電路，藍(lán)牙模塊和報警模塊等組成。軟件系統(tǒng)由固件程序，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等構(gòu)成。

　　汽車行業(yè)的發(fā)展及人們對汽車安全保障系統(tǒng)的重視，使汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)擁有一個很大的市場，因此，礦山車輛公司也著手研究這項技術(shù)。

　　在影響輪胎性能的諸多因素中，輪胎的氣壓是極其重要的一個參數(shù)。它對輪胎的承載性能、高速性能、制動性能、防浮滑性能、耐久性能和耐爆破性能都有著重要影響。

　　1 礦山車輛胎壓監(jiān)控系統(tǒng)的方案

　　礦山車輛輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)主要用于汽車行駛過程中實時監(jiān)測輪胎氣壓，并對輪胎漏氣和高低氣壓進(jìn)行報警，以保障行車安全。利用安裝在每一個輪胎里的以鋰電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過藍(lán)牙模塊發(fā)射到CAN 總線上。當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、溫度太高或各輪胎壓力不均衡時，系統(tǒng)就會自動報警，如圖1。

圖1 輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)的框圖

　　礦山車輛輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)功能如下：

　　（1）實時監(jiān)測個輪胎的壓力和溫度情況；（2）可設(shè)定各輪胎的壓力溫度報警上下限；（3）判斷各輪胎工作的狀況。

　　在一般情況下，輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)是低功耗模式，每隔一段時間，輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)通過低頻激活藍(lán)牙收發(fā)器接收到藍(lán)牙信號后被激活并進(jìn)入正常工作模式，然后對輪胎壓力和溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)以藍(lán)牙信號發(fā)射出去。如果接收到的測量數(shù)據(jù)超出了設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍，則根據(jù)特定的算法通過電磁繼電器控制電磁閥對輪胎氣壓進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)自動充放氣功能。

　　同時當(dāng)輪胎氣壓太低、太高或溫度太高時，系統(tǒng)就會自動報警。

　　2 硬件電路

　　2.1 傳感器

　　一般情況下，礦用車輛需要6-12 個胎壓監(jiān)控系統(tǒng)模塊。為了提高系統(tǒng)的接收能力和抗干擾能力，我們采用MPXY8020A 壓力溫度傳感器、LPC2132 處理器、藍(lán)牙無線收發(fā)模塊等主要組成的系統(tǒng)方案，結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 MPXY8020A 傳感器接口圖

　　2.2 LPC2132 主控器

　　LPC2132 主控器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32ARM7TDMI-S CPU,并帶有64k 的嵌入式的高速Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。多個32 位定時器、1 個或2 個10 位8 路的ADC、10 位DAC、PWM 通道、47 個GPIO 及9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們適用于本系統(tǒng)。

　　如圖3 所示。

圖3 LPC2132 主控器芯片

　　LPC2132 主控器主要工作：

　　a、數(shù)據(jù)采集模塊通信，將采集的壓力和溫度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲。

　　b、與藍(lán)牙收發(fā)模塊通信，將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送到CAN 總線上。

2.3 信號調(diào)理電路

　　LPC2132 控制器的中斷引腳，使LPC2132 控制器控制A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號保持同步采樣。電壓信號可由LPC2132 控制器根據(jù)所需采集的各電壓信號范圍不同而編制數(shù)據(jù)采集模塊，且電壓不超過3.3V.

　　為使電壓信號符合LPC2132 控制器開發(fā)板的有效采集區(qū)間，需要對被采集的電壓進(jìn)行降壓變換，在變換電路輸出端加入穩(wěn)壓管進(jìn)行保護(hù)，如圖4.

　　考慮到接入后不能衰減傳輸至原信號，可采用高阻分壓接入，電路選用兩個3K 電阻分壓，檢測接口電路分流小于0.5mA,而傳感器傳入信號電流為100mA 以上，影響基本忽略，且后端采用運放隔離跟隨接入，減小了對胎壓監(jiān)控系統(tǒng)的干擾。

圖4 電壓信號采集電路

　　圖5 是信號調(diào)理電路圖，信號調(diào)理的目的就是對從傳感器過來的信號進(jìn)行放大提升等處理后送進(jìn)AD模塊。

圖5 信號調(diào)理電路

　　2.4 藍(lán)牙收發(fā)模塊

　　設(shè)計了頻段為2.40GHz-2.48GHz,藍(lán)牙協(xié)議為BlueTooth V1.2 .硬件采用了CSR 公司的AUDIO-FLASH 藍(lán)牙芯片，模塊電路板為0.8mm 四層板。電路接口包括USB、SPI 編程口，2 路AIO 模擬量接口，9 路數(shù)字PIO 接口。串口數(shù)據(jù)傳輸，最大波特率1.3Mbps,一對一自動建鏈。

　　車輪上的藍(lán)牙收發(fā)器與LPC2132 控制器的連接時通過USB 實現(xiàn)的。用USB 接口通信時，是將藍(lán)牙模塊作為USB 的從設(shè)備與LPC2132 控制器通信的，通過雙向端口D+和D-傳輸數(shù)據(jù)，如圖6 所示。

圖6 LPC2132 控制器與藍(lán)牙模塊的接口電路。

2.5 報警模塊

　　主要是完成顯示壓力和溫度的狀態(tài)，如果超出設(shè)定值，自動報警。

圖7 報警電路。

　　3 軟件系統(tǒng)

　　胎壓監(jiān)控系統(tǒng)軟件與其硬件相對應(yīng)，是配合硬件電路完成對胎壓監(jiān)控的功能。系統(tǒng)采用編程軟件是針對嵌入式系統(tǒng)編程KeilC 軟件。

　　3.1 主程序

　　汽車靜止或者速度很小的時候測得的加速度a=0,此時SPI 的KEUP 引腳輸出高電平喚醒信號，當(dāng)汽車速度變大的時候，加速度a>0,這時KEUP 引腳每6 秒鐘就向LPC2132 處理器輸出一個脈沖來喚醒處理器進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　LPC2132 處理器中設(shè)置了兩個計數(shù)器。每次由KEUP 引腳引起中斷后，LPC2132 處理器對SPI 進(jìn)行兩個輪回的數(shù)據(jù)采集，延時后用計數(shù)器2 來對此進(jìn)行計數(shù)。在這種情況下，LPC2132 處理器每被喚醒5次進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送，也就是說每30s 發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

　　若壓力或溫度超過正常范圍，則延時10ms,重新進(jìn)行檢測用于控制檢測次數(shù)的變量i+1.重復(fù)檢測3 次，若3 次溫度、壓力值均異常。則在對溫度、壓力進(jìn)行精確采樣，生成數(shù)據(jù)幀，發(fā)射數(shù)據(jù)幀。連續(xù)重復(fù)檢測可提高報警得準(zhǔn)確性，防止誤報警。完成數(shù)據(jù)測量后，就進(jìn)入睡眠狀態(tài)了。如圖8、9 所示。

圖8 胎壓監(jiān)控主程序。

圖9 中斷服務(wù)器程序。

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送的實現(xiàn)

　　每一個輪胎都有對應(yīng)的ID,遠(yuǎn)程監(jiān)控中心需要檢測哪個輪胎的情況，就需要與輪胎制定相應(yīng)的協(xié)議，比如，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心先發(fā)送一個命令，當(dāng)LPC2132處理器接收到該命令時，就需要解析并把正確輪胎的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN 總線上，監(jiān)控中心就會自動讀取這些數(shù)據(jù)。

　　本數(shù)據(jù)采集通過256 次采樣，啟用6 通道循環(huán)采樣。其第1 個通道采樣程序如下：

　　3.3 報警程序

　　報警程序是系統(tǒng)的重要部分，報警分為壓力報警、溫度報警。系統(tǒng)每次接收到數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置報警門限判斷，如圖10.

圖10 報警流程圖

　　4 實驗數(shù)據(jù)及分析

　　本實驗室在實驗室制作的監(jiān)控裝置，在6 個車輪的礦山汽車的輪胎上進(jìn)行測量得到的數(shù)據(jù)如圖1 所示。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

　　從表1 看出，被監(jiān)控礦山車輛的輪胎氣壓和溫度是非線性變化。并且當(dāng)輪胎氣壓超過標(biāo)準(zhǔn)值（依次為100kpa;200 kpa;250 kpa;300 kpa;350 kpa;400 kpa）時，啟動報警。

　　5 結(jié)語

　　本系統(tǒng)是智能調(diào)度系統(tǒng)中的一部分，通過實驗說明系統(tǒng)方案的可行性。本系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在礦山安全方面的應(yīng)用，是安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率有著重要的意義。