基于CC2530和MPXY8020A的汽車輪胎預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于CC2530芯片和MPXY8020A傳感器設(shè)計(jì)了一種低成本低功耗的直接式汽車主動(dòng)輪胎預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)行駛中汽車輪胎的氣壓、溫度和系統(tǒng)的電量，并通過ZigBee技術(shù)將這些參數(shù)信息無線傳輸?shù)街醒氡O(jiān)視模塊．實(shí)現(xiàn)輪胎故障主動(dòng)預(yù)警。系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，優(yōu)化硬件和軟件，降低運(yùn)行功耗，保證在電池電量有限的情況下，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命1～2年；采用高集成度芯片減小了檢測(cè)模塊的質(zhì)量和體積，降低了檢測(cè)模塊引起的輪胎偏心；通過濾除汽車行駛過程中干擾因素引起的輪胎壓力尖峰，使得測(cè)量的輪胎壓力更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：汽車電子；主動(dòng)安全；輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；ZigBee

0 引言
    據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)高速公路上發(fā)生的交通事故中，46％是由于輪胎故障引起的，其中爆胎占70％。輪胎內(nèi)壓力和溫度是引發(fā)輪胎故障的關(guān)鍵因素。在汽車行駛中，輪胎的氣壓過高，會(huì)減少輪胎與地面的接觸面積和減震空間，嚴(yán)重影響輪胎與地面的摩擦力和輪胎的減震效果。除了影響汽車性能外，還會(huì)對(duì)汽車的懸掛系統(tǒng)造成很大的沖擊。輪胎氣壓過低，輪胎的應(yīng)力變形增加，在交變應(yīng)力的作用下導(dǎo)致汽車輪胎的溫度升高，溫度過高時(shí)，輪胎的熱學(xué)性能和力學(xué)性能會(huì)明顯下降，從而導(dǎo)致輪胎壽命下降，甚至爆胎。同時(shí)輪胎的磨損加快，輪胎的載荷承載能力明顯下降，摩擦阻力增加，油耗上升。維持輪胎在正常氣壓和溫度范圍內(nèi)工作，是避免輪胎故障的關(guān)鍵。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Press ure-Sensor Based Tire Pressure Monitoring System，PSB TPMS)主動(dòng)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)壓力和溫度，預(yù)警輪胎異常，有效避免由輪胎故障引發(fā)的交通事故，是汽車電子向主動(dòng)安全發(fā)展的重要方向。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
    直接式TPMS包括輪胎監(jiān)測(cè)模塊和中央監(jiān)視模塊兩部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    輪胎監(jiān)測(cè)模塊由帶有補(bǔ)償功能的高集成MPXY8020A傳感器、德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530系統(tǒng)級(jí)射頻單片機(jī)、天線和鋰電池組成。該模塊主要功能是周期性被喚醒，MPXY8020A傳感器測(cè)量輪胎壓力和溫度，CC2530采集的輪胎壓力、輪胎溫度和電池電量信息，并將這些信息打包成數(shù)據(jù)幀，按照IEEE 802．15．4協(xié)議通過RF射頻前端無線發(fā)送到中央監(jiān)視模塊。
    中央監(jiān)視模塊由CC2530、天線、LCD、LED指示燈和鋰電池組成。該模塊解析接收到的數(shù)據(jù)幀，將輪胎壓力、溫度和監(jiān)測(cè)模塊的電量實(shí)時(shí)顯示在LCD上面。當(dāng)測(cè)量值超過警戒范圍時(shí)，LCD上面相應(yīng)位置的輪胎會(huì)變成紅色并閃爍，相應(yīng)的LED閃爍。
    中央監(jiān)視模塊與輪胎監(jiān)測(cè)模塊的無線通信采用ZigBee聯(lián)盟制定的高可靠、高性價(jià)比、低功耗的IEEE802．15．4協(xié)議。在協(xié)議規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，中央監(jiān)視模塊作為協(xié)調(diào)器，輪胎監(jiān)測(cè)模塊作為終端設(shè)備。在本系統(tǒng)中終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器組成星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端設(shè)備將采集的壓力、溫度和電量信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 TPMS硬件選型和電路設(shè)計(jì)
2．1 輪胎檢測(cè)模塊
    鑒于輪胎檢測(cè)模塊安裝在輪胎內(nèi)部，不可經(jīng)常拆卸更換電池，因此模塊可用能源有限，必須采用低功耗的傳感器、RF射頻模塊和MCU；為了防止模塊的重量引起輪胎較大偏心造成輪胎震動(dòng)影響汽車性能，模塊的質(zhì)量必須控制在一定范圍內(nèi)。
    傳感器采用集成溫度和壓力傳感器的高集成低功耗MPXY8020A。MPXY8020A有多種功耗模式，通過設(shè)置引腳1(S1)和引腳2(S2)的高低配置工作模式。各種模式下傳感器的功耗如表1所示。

    MPXY8020A的引腳4(OUT)有兩種功能：當(dāng)處于空閑模式時(shí)，大約每隔3 s輸出一個(gè)370μs的低電平來喚醒外部采集設(shè)備；當(dāng)處于數(shù)據(jù)輸出模式時(shí)，該引腳根據(jù)采樣值和D／A中值的關(guān)系輸出不同的電平。輸出為高電平時(shí)，表示測(cè)量完成。
    RF射頻模塊和MCU選擇德州儀器公司的片上級(jí)系統(tǒng)CC2530。CC2530集成了工業(yè)級(jí)的8051和工作在2．4 GHz免費(fèi)頻段且符合IEEE802．15．4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的RF射頻前端；內(nèi)部集成了ADC，可用來檢測(cè)電源電壓；CC2530具有多種功耗模式，通過電源管理可以大幅度降低系統(tǒng)的功耗。各種功耗模式的功耗如表2所示。

    輪胎檢測(cè)模塊的硬件電路如圖3所示，MPXY8020A的引腳1(OUT)連接到CC2530的P1_3引腳上面，周期性喚醒CC2530；由于檢測(cè)模塊的工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，為了防止程序跑飛，MPXY8020A的引腳5(RESET)連接到CC2530的第20(RESET)引腳，每個(gè)52 min MPXY8020A輸出一個(gè)低電平復(fù)位CC2530；為了防止來自外界的電磁干擾引起邏輯電路的誤判斷，未使用的引腳外接10 kΩ電阻拉低。

2．2 中央監(jiān)視模塊
    CC2530和LCD之間通過SPI接口通信，CC2530的引腳P1_5(SCLK)和引腳P1—6(MOSI)分別與LCDSPI接口連接。系統(tǒng)中K1，K2和K3用來配置系統(tǒng)的工作參數(shù)，低電平有效。LED1(Green)和LED2(Red)分別指示警告和正常。監(jiān)視模塊電路圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件是基于德州儀器公司的Z—Stack2007設(shè)計(jì)的。為了降低功耗，對(duì)協(xié)議棧簡(jiǎn)化，刪減了不必須的功能。
3．1 數(shù)據(jù)幀的設(shè)計(jì)
    CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)時(shí)，RF射頻前端工作，此時(shí)消耗功率最大，因此應(yīng)該減少輪胎檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。為了能夠識(shí)別一個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)輪胎的參數(shù)值和防止多個(gè)系統(tǒng)之間的設(shè)備沖突，將設(shè)備的擴(kuò)展地址加入到數(shù)據(jù)幀。壓力、溫度和電壓值分別占用一個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)幀的具體格式如表3所示。

    中央監(jiān)視模塊解析收到的數(shù)據(jù)幀，通過擴(kuò)展地址來一一對(duì)應(yīng)每只輪胎，然后將溫度、壓力和電量信息對(duì)應(yīng)到相應(yīng)輪胎。
3．2 檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)
    CC2530被喚醒后，立刻進(jìn)入溫度、壓力和電池電壓的測(cè)量。為了能夠精確測(cè)量輪胎內(nèi)壓力和溫度采用逐次逼近的方式，但是逐次逼近方式需要64個(gè)時(shí)鐘周期的采樣時(shí)間。因此對(duì)采樣的時(shí)間順序進(jìn)行優(yōu)化，在最短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采樣。
    P=2．5×Output±(誤差)
    式中：P為輪胎壓力測(cè)量值(單位：kPa)；Output為MPXY8020A輸出的8位精度壓力模數(shù)轉(zhuǎn)換值；誤差為溫度和電源電壓等因素影響產(chǎn)生測(cè)量誤差的軟件修正值。
    根據(jù)上式將壓力模數(shù)值轉(zhuǎn)換成輪胎壓力值。由于壓力測(cè)量值受到溫度和電源電壓的影響偏離真實(shí)值，通過軟件方式對(duì)誤差值進(jìn)行進(jìn)行修正，最后得出準(zhǔn)確的壓力值。MPXY8020A測(cè)量的溫度值也偏離真實(shí)值，其測(cè)量誤差如圖5所示。MPXY8020A測(cè)量值的軟件校正值和CC2530片內(nèi)溫度傳感器測(cè)量值的平均值視為真實(shí)溫度。

    監(jiān)測(cè)模塊連續(xù)20次溫度和壓力測(cè)量值的變化幅度在傳感器誤差允許范圍內(nèi)相等時(shí)，認(rèn)為汽車處在停止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)系統(tǒng)休眠時(shí)間延長(zhǎng)，休眠時(shí)間最長(zhǎng)至10 min。休眠時(shí)間大于3 s時(shí)，CC2530屏蔽MPXY8020A喚醒，進(jìn)入PM2功耗模式。
    程序流程圖如圖6所示。

3．3 監(jiān)視模塊軟件設(shè)計(jì)
    當(dāng)接收到輪胎檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)幀時(shí)，監(jiān)視模塊MCU被喚醒，系統(tǒng)啟動(dòng)解析數(shù)據(jù)幀，識(shí)別輪胎，在LCD上面相應(yīng)輪胎位置處顯示此輪胎的壓力和溫度。通過按鍵配置安全閾值，當(dāng)輪胎的壓力和溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)值高于安全閾值時(shí)，LCD上輪胎圖標(biāo)由綠色變成紅色，同時(shí)綠色LED常亮變成紅色LED閃爍。
    為了防止汽車行駛過程中，由于路面的凹凸不平和汽車載荷的變化，引起輪胎壓力出現(xiàn)尖峰波動(dòng)，引發(fā)系統(tǒng)錯(cuò)誤警告，通過軟件方法將壓力尖峰波動(dòng)過濾。
    監(jiān)視模塊接收四個(gè)輪胎數(shù)據(jù)幀的周期大于5 min，系統(tǒng)將關(guān)閉LCD顯示和LED指示燈，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。進(jìn)入休眠狀態(tài)后，系統(tǒng)只有在2 min內(nèi)連續(xù)檢測(cè)到至少兩個(gè)輪胎的數(shù)據(jù)幀時(shí)，系統(tǒng)判定汽車正在行駛則退出休眠。軟件流程圖如圖7所示。

4 結(jié)論
    實(shí)際輪胎工況十分復(fù)雜，直接式TPMS是主動(dòng)預(yù)警輪胎故障最直接的方法，但其壽命受到電池電量的限制。采用低功耗設(shè)計(jì)，優(yōu)化硬件和軟件，可延長(zhǎng)TPMS系統(tǒng)壽命1～2年。采用高集成度芯片減小檢測(cè)模塊的質(zhì)量和體積，可降低輪胎偏心。通過濾除干擾因素引起的輪胎壓力尖峰，可使輪胎壓力測(cè)量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。系統(tǒng)定時(shí)復(fù)位，可防止程序跑飛，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。