TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：應(yīng)用最新的集成TPMS芯片MPXY8300，設(shè)計(jì)出TPMS的整體方案，實(shí)現(xiàn)了TPMS的各項(xiàng)功能，使其具有智能化的測(cè)量監(jiān)控功能，系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：TPMS；發(fā)射；接收；數(shù)據(jù)處理；報(bào)警

0 引言
    在汽車行駛中，汽車輪胎的低氣壓、高氣壓、漏氣、溫度過高等都可能造成爆胎，從而引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。TPMS是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)“Tire Pressure Monitoring System”的英文簡(jiǎn)稱，主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)地對(duì)輪胎壓力進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和高氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保證行車安全。
    基于MPXY8300設(shè)計(jì)的TPMS系統(tǒng)，由安裝在輪胎里的發(fā)射模塊與安裝在駕駛室內(nèi)的接收模塊組成，相應(yīng)的軟件部分也有發(fā)射模塊軟件和接收模塊軟件兩大部分。發(fā)射模塊和接收模塊是通過無線射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的，數(shù)據(jù)的通信無線傳輸協(xié)議為，載波頻率是434MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率9600bps，調(diào)制方式為頻移鍵控方式，數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼。

1 硬件設(shè)計(jì)
    TPMS的發(fā)射模塊由MPXY8300、電源和發(fā)射天線組成。接收模塊由接收芯片MC33596、微控制器MC68HC908KX8、顯示報(bào)警和電源電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．1 發(fā)射模塊
    發(fā)射模塊由天線、電池和傳感器、單片機(jī)、發(fā)射器集成芯片組成。傳感器含有壓力、溫度、加速度、電壓檢測(cè)和信號(hào)預(yù)處理等功能；天線為小環(huán)行板載天線，電池為鋰亞電池。發(fā)射模塊實(shí)現(xiàn)輪胎壓力、溫度、加速度等的檢測(cè)、測(cè)量數(shù)據(jù)的初步處理、數(shù)據(jù)的RF無線傳輸?shù)裙δ?。發(fā)射電路如圖2所示。

    MPXY8300集成壓力和溫度傳感器，集成基于PLL的315／434MHz RF發(fā)射器，多種波特率選擇，同時(shí)支持FSK／ASK調(diào)制模式，帶有512字節(jié)RAM和16K字節(jié)Flash的8位MCU，帶有探測(cè)器和解碼器的LF輸入，過溫關(guān)斷，供電電壓測(cè)量，多達(dá)二路的加速計(jì)用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和輪胎位置識(shí)別，由LFO驅(qū)動(dòng)的低功耗喚醒計(jì)時(shí)器和周期性復(fù)位，獨(dú)特的用于媒介保護(hù)的集成過濾器，針對(duì)FMVSS 138設(shè)計(jì)，采用了新一代電容式傳感器技術(shù)，使之功耗更低、集成能力更高。MPXY8300智能傳感器還包含了加速度計(jì)，加速度傳感器通過檢測(cè)汽車的加速度，實(shí)現(xiàn)汽車停止、運(yùn)轉(zhuǎn)、告訴運(yùn)動(dòng)等情況的判斷，從而進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動(dòng)喚醒、工作方式選擇等功能，汽車高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)間的周期，以逐漸縮短巡回檢測(cè)周期和提高預(yù)警能力、節(jié)省電能等。[!--empirenews.page--]
1．2 接收模塊
    接收模塊的核心是UHF接收芯片MC33596，MC33596支持304～915MHz的OOK和FSK解調(diào)；片內(nèi)支持?jǐn)?shù)據(jù)曼徹斯特解碼，節(jié)省了外部微控制器解碼軟件系統(tǒng)占用；具有片內(nèi)定時(shí)喚醒、片腳喚醒并可設(shè)置特定幀喚醒外部MCU功能，節(jié)省系統(tǒng)功耗；同時(shí)支持兩套系統(tǒng)參數(shù)配置。接收電路如圖3所示。

1．3 微控制器和顯示報(bào)警電路
    飛思卡爾的MC68HC908KX8也稱為KX8，屬于低成本高性能的芯片，最大總線內(nèi)部頻率5V時(shí)8MHz、在3V時(shí)為4MHz，無需外部元件，軟件可以選擇總線頻率。
    系統(tǒng)要求顯示電路通過數(shù)字顯示屏向駕駛員實(shí)時(shí)提供輪胎的狀態(tài)信息和報(bào)警信息，其核心器件選用液晶顯示模塊LCM046。LCM046該模塊為四位八段帶小數(shù)點(diǎn)液晶顯示，可直接驅(qū)動(dòng)LED，帶有蜂鳴片驅(qū)動(dòng)電路，3～4線串行接口，可與任何單片機(jī)、接口IC接口，內(nèi)含WDT看門狗時(shí)鐘發(fā)生器，顯示比較清晰，對(duì)比度較高，穩(wěn)定可靠，性價(jià)比高。
    本系統(tǒng)采用聲光報(bào)警方式來提示輪胎的非正常工作狀態(tài)，通過系統(tǒng)狀態(tài)LED、蜂鳴器、輪胎位置報(bào)警LED實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警功能。
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2 軟件設(shè)計(jì)
    發(fā)射模塊軟件主要完成對(duì)發(fā)射模塊硬件的初始化、對(duì)溫度、加速度、壓力等測(cè)量值的預(yù)處理、對(duì)數(shù)據(jù)的編碼、對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)射等功能：接收模塊軟件主要完成對(duì)接收模塊硬件的初始化、對(duì)數(shù)據(jù)的接收、對(duì)數(shù)據(jù)的解調(diào)、對(duì)數(shù)據(jù)的處理、對(duì)輪胎狀態(tài)的顯示、聲光報(bào)警及報(bào)警顯示等功能。圖4是系統(tǒng)軟件的功能框圖。

2．1 發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)
    發(fā)射模塊軟件程序的主要工作為系統(tǒng)的初始化、對(duì)溫度、壓力、加速度、電壓等檢測(cè)的控制、對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單預(yù)處理以及編碼發(fā)射控制。其主程序流程圖如圖5所示。

    MCU絕大多數(shù)時(shí)間處于停止模式下，這是因?yàn)樘幱诖藸顟B(tài)下的MCU系統(tǒng)功耗最小。通常是傳感器MPXY8300進(jìn)入STOP模式時(shí)，由其內(nèi)部低頻振蕩器定時(shí)，每隔一定時(shí)間向其內(nèi)部的MCU發(fā)出一個(gè)低頻喚醒信號(hào)。這個(gè)低頻喚醒信號(hào)使微控制器脫離低功耗的停止(STOP)模式，并在每次喚醒后立即開始測(cè)量壓力、溫度、加速度等量。

    發(fā)射模塊測(cè)量部分流程圖如圖6所示。輪胎發(fā)射模塊上電復(fù)位后，先測(cè)量加速度，讀取補(bǔ)償后的加速度，如果加速度為0，則汽車處于停止?fàn)顟B(tài)，不測(cè)量數(shù)據(jù)，也不發(fā)送數(shù)據(jù)，測(cè)量和處理程序進(jìn)入停止模式，等待啟動(dòng)。設(shè)置MPXY8300為待機(jī)模式，定時(shí)一段時(shí)間后喚醒MPXY8300進(jìn)入工作模式，再重新測(cè)量實(shí)時(shí)的加速度。[!--empirenews.page--]
2．2 接收模塊軟件設(shè)計(jì)
    在輪胎壓力監(jiān)測(cè)接收模塊上電后，首先初始化微控制器MC68HC908Kx8，然后初始化接收器MC33596。初始化后確認(rèn)所有的配置都有效并且都準(zhǔn)備就緒后，所有LED都閃爍一下，表明接收模塊所有準(zhǔn)備工作已經(jīng)做完，可以開始工作了。圖7是接收模塊的主程序流程圖。

    為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，微控制器收到數(shù)據(jù)幀后，都會(huì)重新計(jì)算該數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)和，與已接收到的數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和進(jìn)行比較，從而判斷此次數(shù)據(jù)幀是否正確，在確認(rèn)該幀的校驗(yàn)和無誤后，收到數(shù)據(jù)后MCU解碼出發(fā)射模塊的ID號(hào)、壓力值、溫度值等信息，再將幀內(nèi)的輪胎ID同存在微控制器存儲(chǔ)器中的4個(gè)輪胎ID進(jìn)行比較，看看是否一致，若不一致，則丟棄數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)哪個(gè)ID是與其相匹配的，就把該數(shù)據(jù)幀的狀態(tài)信息存入為保存這個(gè)位置輪胎的狀態(tài)信息而保留的RAM單元中，并處理相應(yīng)的輪胎壓力、溫度等數(shù)據(jù)，在壓力、溫度等超出正常范圍時(shí)可以準(zhǔn)確、及時(shí)地報(bào)警。
    數(shù)據(jù)處理在接收到數(shù)據(jù)并檢驗(yàn)正確之后進(jìn)行，首先要保存接收的數(shù)據(jù)，保存當(dāng)前的溫度、壓力等的采樣值，歷史采樣壓力、溫度值依次移動(dòng)，然后進(jìn)行壓力、溫度等信號(hào)的單位變換，再把溫度壓力等轉(zhuǎn)換值保存，判斷是報(bào)警還是循環(huán)顯示溫度、壓力值，最后把輪胎無數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器清零，完成數(shù)據(jù)處理。程序框圖如圖8所示。

3 結(jié)論
    TPMS是駕駛者、乘車者的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)，在硬件設(shè)計(jì)上，采用集成化芯片，保證模塊要求體積小、重量輕，保證系統(tǒng)可靠性和減少模塊功耗。在軟件設(shè)計(jì)上，完整地實(shí)現(xiàn)了TPMS的各項(xiàng)功能，使其具有智能化的測(cè)量監(jiān)控功能。