基于8位微控制器單元實(shí)現(xiàn)汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：王毅峰，劉躍明，溫希東，袁媛 來源：電子技術(shù)應(yīng)用

自汽車誕生100多年來，汽車爆胎造成的重大交通事故一直是困擾汽車界的技術(shù)難題。尤其在汽車的高速行駛過程中，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)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)表明，目前我國在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%～80%是由于輪胎問題引起的，其中將近50%為爆胎事故。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。據(jù)專家分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。為此，基于解決此類問題的各種胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹的TPMS是一種主動(dòng)安全技術(shù)產(chǎn)品，它采用無線傳輸技術(shù)，通過胎壓監(jiān)測(cè)模塊和接收模塊，對(duì)在行使過程中的汽車輪胎氣壓、溫度實(shí)時(shí)自動(dòng)地監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣、低壓、溫度過高進(jìn)行報(bào)警，即在發(fā)生事故前發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員采取措施，以防止爆胎事故的發(fā)生，為汽車駕駛者提供更可靠的保障。此外還有延長輪胎使用壽命，節(jié)省燃油的功能。

1 MC68HC908RF2芯片簡介

MC68HC908RF2微控制器是FREESCALE公司生產(chǎn)的一款低成本、高性能的8位微控制器單元（MCU），它是M68HC08家族中的成員之一，采用了增強(qiáng)型M68HC08中心處理單元（CPU08），適用于多種模式、存儲(chǔ)尺寸和類型。這款MCU產(chǎn)品經(jīng)過優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低功耗運(yùn)行，采用小型的32針腳小外形四方扁平封裝（LQFP），該封裝由兩部分組成，第一部分是2KB Flash HC08 MCU（部件編號(hào)MC68HC908RK2）；第二部分是射頻轉(zhuǎn)發(fā)器（部件編號(hào)MC33493），在自由空間中能將數(shù)據(jù)傳輸幾百米，適用于汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

MC68HC908RF2的主要特性如下：

（1）高性能的M68HC08體系結(jié)構(gòu)。

（2）完全向上兼容M6508、M146805和M68HC05系列的對(duì)象代碼。

（3）在3.3V供電時(shí)的最大內(nèi)部總線頻率為4MHz。

（4）2KB的片上FLASH存儲(chǔ)器，128B的片上RAM。

（5）16位的2通道定時(shí)器接口模塊（TIM）。

（6）12個(gè)通用I/O口，帶鍵盤喚醒功能的6位鍵盤中斷。

（7）1個(gè)內(nèi)置的高頻發(fā)射模塊UHF（MC33493模塊）。

（8）較寬的工作溫度范圍：-40°C～＋125°C。

2 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)是在基于FREESCALE的MC68HC908RF2、MPXY8020A、MC33594等核心芯片以及優(yōu)化解決方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的一套汽車胎壓監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)高速行駛汽車的胎壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)，并記錄最后100秒的胎壓信息，為安全行車及行車管理提供依據(jù)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

由圖1可知，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由胎壓監(jiān)測(cè)模塊和中央接收模塊兩個(gè)主要部分組成。其中胎壓監(jiān)測(cè)模塊安裝在汽車輪胎內(nèi)，該模塊帶有傳感器和無線發(fā)射裝置，主要用來監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)的氣壓和溫度并把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過發(fā)射裝置發(fā)送給接收模塊；中央接收模塊安裝在駕駛室操作盤附近，帶有無線接收裝置、聲光報(bào)警模塊和液晶顯示模塊，無線接收裝置接收到胎壓監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，將各輪胎的氣壓和溫度由液晶顯示模塊顯示，駕駛者通過顯示模塊即可掌握各個(gè)輪胎的氣壓和溫度狀況，當(dāng)輪胎氣壓、溫度發(fā)生異常將要出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時(shí)，就會(huì)通過聲光報(bào)警模塊自動(dòng)報(bào)警，以提醒駕駛者減速慢行或做相應(yīng)的檢查和檢修，從而保證行車的安全以及輪胎保持在正常運(yùn)行狀態(tài)。此外，為了系統(tǒng)功能的更新和維護(hù)方便，該模塊還保留了與上位機(jī)的USART通信接口。

3 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為胎壓監(jiān)測(cè)模塊和中央接收模塊兩大部分，下面介紹具體實(shí)現(xiàn)。

3.1 胎壓監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

由圖2可知，胎壓監(jiān)測(cè)模塊硬件部分主要由傳感器、控制器和天線匹配網(wǎng)絡(luò)三部分組成。其中傳感器采用的是具有測(cè)量溫度、壓力功能的MPXY8020A。該傳感器將一個(gè)變?nèi)輭毫鞲性?、一個(gè)溫度傳感元件和一個(gè)接口電路（帶喚醒功能）集成在同一芯片中；具有電源管理和數(shù)字輸出功能，其低功耗的特殊功能是專門為TPMS而設(shè)計(jì)，內(nèi)部的介質(zhì)保護(hù)過濾器可以使其硅片免受環(huán)境影響。MPXY8020A根據(jù)對(duì)S0、S1管腳的不同配置有4種操作模式：待機(jī)/復(fù)位模式、測(cè)量氣壓模式、測(cè)量溫度模式和輸出數(shù)據(jù)讀取模式。與控制器MC68HC908RF2共有6條引腳連線，其中2個(gè)引腳用于控制其操作模式，2個(gè)引腳用于數(shù)據(jù)串行交換，1個(gè)引腳用于喚醒控制器。 MPXY8020A還具有復(fù)位功能，該引腳作為一個(gè)輸出端子，定時(shí)向控制器發(fā)送復(fù)位信號(hào)，確保模塊可靠工作。

控制器MC68HC908RF2將8位Flash單片機(jī)（MCU）和UHF發(fā)射器（MC33493）集成在同一芯片內(nèi)。MCU連接傳感器，定期檢查氣壓和溫度數(shù)據(jù)。發(fā)射器雖然與MCU集成在一起，但其工作完全由MCU控制，設(shè)定其工作頻率和模式，從而控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。匹配網(wǎng)絡(luò)主要是確保由MC33493傳送來的數(shù)據(jù)能以無線通信的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送出去。

3.2 中央接收模塊硬件設(shè)計(jì)

中央接收模塊通過指示燈閃爍或液晶顯示來告知駕駛員車輛各輪胎當(dāng)前的壓力、溫度是否異常。中央接收模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由無線接收部分、主控制器以及相關(guān)的外圍器件組成。無線接收部分由高集成UHF接收器MC33594及其匹配網(wǎng)絡(luò)組成；MC33594具有接收并解調(diào)OOK或FSK調(diào)制的Manchester（曼徹斯特編碼）數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)通過其SPI總線接口可與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；若采用FSK調(diào)制，MC33594可支持?jǐn)?shù)據(jù)管理器——Manchester數(shù)據(jù)解碼器，如果有匹配的天線，其靈敏度可以達(dá)到-103dBm。

主控制器的選擇與TPMS無關(guān)，只要該控制器帶有SPI總線接口，就可以接收、處理MC33594按順序發(fā)送來的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中采用基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器ATmega16，該控制器具有運(yùn)行速度快、流水線方式執(zhí)行指令、可在線編程、保密性高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。對(duì)于與主控制器相連的外圍器件其功能是當(dāng)汽車的胎壓或溫度出現(xiàn)異常情況時(shí)，可通過聲、光和液晶顯示等形式向駕駛員告警。此外為了查詢、設(shè)置參數(shù)方便和便于通過計(jì)算機(jī)分析胎壓數(shù)據(jù)，該模塊還設(shè)計(jì)了鍵盤模塊和與計(jì)算機(jī)的串行通信接口。

4 汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其軟件設(shè)計(jì)分為胎壓監(jiān)測(cè)和中央接收兩部分。

4.1 胎壓監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

胎壓監(jiān)測(cè)模塊的功能是準(zhǔn)確、及時(shí)地監(jiān)測(cè)各輪胎的內(nèi)部氣壓、溫度數(shù)據(jù)并發(fā)送，其軟件流程圖如圖4所示。模塊上電后，首先控制器MC68HC908RF2對(duì)自身及傳感器MPXY8020A進(jìn)行初始化。為了降低能耗，延長電池的使用壽命，控制器在沒有數(shù)據(jù)需要處理和傳輸?shù)那闆r下，將自身配置成STOP模式，同時(shí)將傳感器配置成STANDBY模式，傳感器在此模式下其OUT引腳每3秒會(huì)喚醒（下降沿觸發(fā)）控制器響應(yīng)鍵盤中斷?？刂破髟谥袛嗵幚沓绦蛑?，通過修改傳感器的工作模式，分別讀取采集到的胎壓和溫度數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)射頻發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)以曼徹斯特編碼方式發(fā)送出去，同時(shí)進(jìn)入省電模式，等待響應(yīng)新的中斷。

4.2 中央接收模塊軟件設(shè)計(jì)

中央接收模塊軟件功能是完成數(shù)據(jù)的接收、處理、判別、顯示和告警，其流程如圖5所示。

該模塊以ATMEGA16為主控制器，在完成初始化后將自身配置為主機(jī)模式，通過SPI口對(duì)射頻接收器MC33594進(jìn)行初始化，將其配置在315MHz FSK模式下工作，然后又將自己配置成從機(jī)模式，等待接收數(shù)據(jù)。MC33594在接收到從胎壓監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送來的壓力、溫度數(shù)據(jù)后，由SPI口傳送給控制器，控制器在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)還要對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和復(fù)雜的算法處理，并對(duì)處理后的結(jié)果進(jìn)行判斷。若當(dāng)前輪胎內(nèi)部壓力、溫度超出了預(yù)先預(yù)定的范圍，則立即啟動(dòng)聲光報(bào)警，通過蜂鳴器、發(fā)光二極管提示駕駛員當(dāng)前存在異常，同時(shí)由LCD將發(fā)生異常的輪胎號(hào)、胎內(nèi)信息顯示出來；否則提示汽車運(yùn)行正常。此外，控制器還可以利用鍵盤設(shè)定、更新輪胎壓力、溫度上/下限值和輪胎ID號(hào)，利用串口實(shí)現(xiàn)與PC之間的通信，便于查詢、分析記錄的數(shù)據(jù)，為優(yōu)化控制算法和分析交通事故提供依據(jù)。

目前，市場上的TPMS 產(chǎn)品主要分為兩種類型：一種是間接式TPMS，該類系統(tǒng)是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)測(cè)胎壓的目的；另一種是直接式TPMS，這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來直接測(cè)量輪胎的氣壓、溫度，并對(duì)各輪胎氣壓、溫度進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。本設(shè)計(jì)為直接式TPMS，實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明：該系統(tǒng)借助芯片組和軟件優(yōu)化算法，能夠識(shí)別輪胎（包括備用胎），檢測(cè)壓力過大或不足的情況，還能夠補(bǔ)償貨物重量的變化，監(jiān)控輪胎溫度，對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警。此外，該系統(tǒng)還兼容各種汽車平臺(tái)和輪胎技術(shù)，模塊級(jí)的能量管理可以延長電池的使用壽命，并在電池電量過低時(shí)發(fā)出信號(hào)。

隨著人們對(duì)汽車主動(dòng)安全性要求的提高及TPMS對(duì)防止重大交通事故發(fā)生的積極作用，市場對(duì)高性能的TPMS的需求量將會(huì)進(jìn)一步增加。因此，汽車胎壓監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間和非常好的市場前景。

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