基于嵌入式微處理器的輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1  引言

                   
　　隨著汽車消費市場的日益升溫， 汽車的安全性能更加被消費者所關(guān)注。在汽車的高速行駛中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計，在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美國這一比例高達(dá)80％。基于此，美國運輸部(dot)國家公路交通安全管理委員會(nhtsa)出臺法規(guī)。該法規(guī)規(guī)定：2003年l1月到2006年l0月31日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(tyre　pressure monitoring system)[2]。鑒于如此大的市場潛力，國內(nèi)外許多公司紛紛開始研制。本文提出基于motorola公司的mpxy8040溫度和壓力傳感器、mc68hc908rf2嵌入式一體化微處理器和射頻發(fā)射器、mc33594接收器和mc68h908kx8微處理器構(gòu)成的輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)。其中mpxy8040和mc68hc908rf2及其外圍電路構(gòu)成測量和發(fā)送子系統(tǒng)，mc33594和mc6-8h908kx8及其外圍電路構(gòu)成接收、處理和顯示主系統(tǒng)。
           
2  tpms系統(tǒng)構(gòu)成[2]
                   
　　輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)分為直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。間接系統(tǒng)即通過車速傳感器來確定輪胎壓力變化，利用abs輪速傳感器來間接測量胎壓，成本低，但精度差，無法在任何時間工作。直接式壓力測量法利用車輪內(nèi)的壓力傳感器和無線發(fā)送器，發(fā)射信號到射頻接收器，來直接測量溫度和壓力，精度可靠，成本較高。
                   
　　直接測量系統(tǒng)需要在每個輪胎上安裝1個遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊來采集數(shù)據(jù)，在車內(nèi)安裝1個接收模塊來接收和處理數(shù)據(jù)，并為司機提供適當(dāng)?shù)娘@示即可。
           
3  硬件設(shè)計和實現(xiàn)
           
　　系統(tǒng)電路原理圖如圖1和圖2所示。

                                 圖1  輪胎子系統(tǒng)電路原理圖

                                  圖2  儀表盤主系統(tǒng)電路原理圖

           
　　3.1 輪胎子系統(tǒng)(子機)硬件設(shè)計
                   
　　(1) 氣壓和溫度傳感器和信號調(diào)理電路。采用motorola公司的mpxy80-40a[4]傳感器測量輪胎壓力和溫度，mpxy8040a壓力溫度傳感器芯片是motorola公司為測量汽車輪胎壓力和溫度而設(shè)計的高集成芯片。該芯片內(nèi)嵌一個容性絕對壓力傳感器和一個溫度傳感器，包括壓力變換器、正溫度系數(shù)擴(kuò)散電阻溫度傳感器和所有必須電路，用以產(chǎn)生一個校準(zhǔn)的8bit溫度和壓力數(shù)字輸出，能夠測量0kpa～637.5kpa的輪胎壓力和一40℃～125℃范圍內(nèi)的輪胎溫度，適用于氣體媒介和一般的胎內(nèi)環(huán)境。每個芯片有標(biāo)識id，用于識別是哪一個輪胎。
                   
　　mpxy8040a壓力傳感器的典型電氣參數(shù)為：3v工作電壓，低功耗，待機電流600na，壓力采樣電流15ma，溫度采樣電流500μa。它有4種工作模式：待機/復(fù)位、壓力檢測、溫度檢測、數(shù)據(jù)輸出；4種工作模式靈活運用以滿足系統(tǒng)節(jié)電的要求。內(nèi)置的低頻振蕩器，可用于喚醒mcu。
           
　　(2) 微控制器和發(fā)射電路。采用motorola公司mc68hc908rf2[5]芯片，該芯片是高性能、低功耗，32引腳、lqfp表面貼裝器件，供電電壓1.8v-3.6v，適合于-40度到+125度的環(huán)境溫度，待機電流0.1na，fsk的傳輸電流11.6ma，ask的傳輸電流8ma。該芯片封裝了2個模塊；第1個是2kb快閃hc08 mcu，第2個是射頻發(fā)射模塊，能在自由空間能夠傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號達(dá)到了幾百米左右。
           
　　mc68hc908rf2芯片，具有hc08內(nèi)核、2kflash用戶存儲器、256字節(jié)專用flash數(shù)據(jù)存儲器，128字節(jié)ram、17位尋址、16位索引寄存器和堆棧指針、8個通用i/o口、6個具有鍵盤中斷功能的輸入、2個led輸出；另外它還集成了射頻發(fā)射模塊，低功耗的pll鎖相環(huán)射頻發(fā)射器，可以完成數(shù)字信號的調(diào)制和發(fā)送、支持315/434和868/915mhz的fsk和ask調(diào)制方式，具有控制發(fā)送和輸出功率的功能，輸出功率可調(diào)(達(dá)到5dbm),數(shù)據(jù)傳輸率最大11kbps、集成pll鎖相環(huán)和vco壓頻振蕩器，采用pcb印制天線，發(fā)射器無須調(diào)整，外部元器件少，工作穩(wěn)定可靠。
                   
　　(3) 供電電源:采用3v紐扣式鋰電池供電。
           
　　3.2 控制和顯示部分(主機)的硬件設(shè)計
                   
　　(1) 主機的接收電路：主機的接收和解碼電路采用motorola公司的mc33594[3]芯片，mc33594與motorola公司mc68hc908rf2芯片的發(fā)射電路兼容，mc33594芯片能夠接收和解調(diào)manchester編碼數(shù)據(jù)，通過通用的spi總線向嵌入式微處理器mc68h908kx8輸出數(shù)據(jù)。調(diào)制方式：ask和fsk；工作頻率：315/433mhz 或者866/915mhz；低電流消耗，run模式下的工作電流4.3ma、stop模式下的工作電流10ma；內(nèi)部和外部選通；1ms的喚醒時間；數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)11kbps；帶有字節(jié)或音調(diào)探測的數(shù)據(jù)管理器(dm)；帶有manchester編碼信號的時鐘恢復(fù)；可完全由spi接口配置；較少的外部元件。
                   
　　(2) 主機的微控制器：采用motoro-la公司的mc68h908kx8[6]芯片；該芯片同mc68hc908rf2芯片相比較，只是少了uhf發(fā)射芯片。其它性能指標(biāo)相同。
           
4  通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式[1][5]
                   
　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用manchester編碼、fsk調(diào)制的方式通訊。數(shù)據(jù)的發(fā)送速率是9600bps, manchester編碼利用高電頻變到低電頻表示0，低電頻變到高電頻表示1；fsk調(diào)制時利用兩個不同的頻率來表示數(shù)字的高、低信號，本系統(tǒng)中用較低的頻率表示1、較高的頻率表示0；接收器mc33594芯片的數(shù)據(jù)管理器已經(jīng)設(shè)置成這樣的調(diào)制和解調(diào)方式。當(dāng)輪胎模塊設(shè)置成發(fā)送數(shù)據(jù)時，它先喚醒接收器，然后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，最后到睡眠狀態(tài)。一個完整的數(shù)據(jù)幀由以下幾部分構(gòu)成：(1)前導(dǎo)同部位(preamble)，共16bit,通常設(shè)置成16進(jìn)制的fb86，前4位(1111)用于喚醒接收器并將建立內(nèi)部電路；接下來的8bit(b8)用于配置寄存器cr2中的配置值，目的是用來啟動數(shù)據(jù)管理器，剩余的4bit(0110)用來激活mc33594使其工作，表明有效數(shù)據(jù)的開始；(2)縮緊隨前導(dǎo)位(prea-mble)的有效數(shù)據(jù)是器件的id號，共32bit，用來區(qū)分不同的發(fā)射器，(3)壓力和溫度信號，各占8bit；(4)狀態(tài)信號，占8bit；(5)8bit的校驗和2bit的停止位，校驗位可以幫助減少由其它因素引起的干擾，保證數(shù)據(jù)的完整和正確，兩個停止位通知接受器傳送數(shù)據(jù)完畢；整個完整的數(shù)據(jù)幀共包含了82個數(shù)據(jù)位。

 
              
5  系統(tǒng)的軟件設(shè)計
           
　　5.1 信號檢測處理和發(fā)射程序的設(shè)計
                   
　　模塊每3秒被喚醒，測量溫度和壓力參數(shù)，將最大值和最小值存入ram中，如果沒有變化，增加計數(shù)器的計數(shù)值，返回休眠模式；經(jīng)過10個計數(shù)，約30秒后，將數(shù)據(jù)傳至接受器模塊，如果有較大的變化，則進(jìn)入快速發(fā)送模式，連續(xù)發(fā)送255次。具體的流程圖如圖3所示。

                        圖3  輪胎微處理器的工作流程圖
           
　　5.2 輪胎信號數(shù)據(jù)發(fā)送流程
                   
　　首先測量電池的電壓，電壓正常則進(jìn)入工作模式，測量數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成，進(jìn)入休眠狀態(tài)。具體的流程圖如圖4所示。

                     圖4  輪胎壓力、溫度數(shù)據(jù)測量和發(fā)送流程圖

           
　　5.3 儀表盤接收系統(tǒng)程序流程
                   
　　上電復(fù)位后，初始化mc68h908-kx8、配置mc33594，并且自檢主機系統(tǒng)，自檢通過則led閃爍，否則點亮相關(guān)的led，之后等待spi的數(shù)據(jù)幀，收到后，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗，正確則判斷是否是輪胎傳感器的id，是則進(jìn)行相關(guān)的顯示，否則忽略。具體流程圖如圖5所示。

                     圖5  汽車儀表盤主機接收和處理系統(tǒng)的程序流程圖 
           
6  結(jié)束語
                   
　　基于motorola公司的嵌入式微處理器的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)集成度較高，穩(wěn)定性好，能夠同時監(jiān)測輪胎氣壓、溫度及監(jiān)測模塊供電電壓三個關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)輪胎漏氣、溫度升高等異常情況時，系統(tǒng)都會自動報警，從而確保行車安全，延長輪胎的使用壽命，降低燃油的消耗。硬件結(jié)構(gòu)采用低功耗器件，軟件設(shè)計采用合適的采樣周期和工作模式來滿足低功耗和安全兩個方面的要求。此外，主機顯示模塊還可以通過擴(kuò)展液晶顯示、語音報警及提供與汽車控制系統(tǒng)接口等，來適應(yīng)不同用戶需要。隨者人們對汽車主動安全性的的要求的提高，及tpms對防止重大交通安全事故發(fā)生的積極作用，市場對高性能tpms的需求量將會進(jìn)一步增加。因此，汽車輪胎胎壓監(jiān)測系統(tǒng)具有廣闊的的發(fā)展空間和非常好的市場前景。