一種基于嵌入式微處理器的輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解析

1 引言

隨著汽車消費(fèi)市場(chǎng)的日益升溫， 汽車的安全性能更加被消費(fèi)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(jì)，在中國(guó)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(guó)這一比例高達(dá)80％。基于此，美國(guó)運(yùn)輸部（dot）國(guó)家公路交通安全管理委員會(huì)（nhtsa）出臺(tái)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(guó)新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（tyre　pressure monitoring system）［2］。鑒于如此大的市場(chǎng)潛力，國(guó)內(nèi)外許多公司紛紛開(kāi)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(cè)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(cè)系統(tǒng)分為直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。間接系統(tǒng)即通過(guò)車速傳感器來(lái)確定輪胎壓力變化，利用abs輪速傳感器來(lái)間接測(cè)量胎壓，成本低，但精度差，無(wú)法在任何時(shí)間工作。直接式壓力測(cè)量法利用車輪內(nèi)的壓力傳感器和無(wú)線發(fā)送器，發(fā)射信號(hào)到射頻接收器，來(lái)直接測(cè)量溫度和壓力，精度可靠，成本較高。

直接測(cè)量系統(tǒng)需要在每個(gè)輪胎上安裝1個(gè)遠(yuǎn)程感應(yīng)模塊來(lái)采集數(shù)據(jù)，在車內(nèi)安裝1個(gè)接收模塊來(lái)接收和處理數(shù)據(jù)，并為司機(jī)提供適當(dāng)?shù)娘@示即可。

3 硬件設(shè)計(jì)和實(shí)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(jī)）硬件設(shè)計(jì)

（1） 氣壓和溫度傳感器和信號(hào)調(diào)理電路。采用motorola公司的mpxy80-40a［4］傳感器測(cè)量輪胎壓力和溫度，mpxy8040a壓力溫度傳感器芯片是motorola公司為測(cè)量汽車輪胎壓力和溫度而設(shè)計(jì)的高集成芯片。該芯片內(nèi)嵌一個(gè)容性絕對(duì)壓力傳感器和一個(gè)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(gè)校準(zhǔn)的8bit溫度和壓力數(shù)字輸出，能夠測(cè)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(gè)芯片有標(biāo)識(shí)id，用于識(shí)別是哪一個(gè)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(jī)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(jī)/復(fù)位、壓力檢測(cè)、溫度檢測(cè)、數(shù)據(jù)輸出；4種工作模式靈活運(yùn)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(jī)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(gè)模塊；第1個(gè)是2kb快閃hc08 mcu，第2個(gè)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(hào)達(dá)到了幾百米左右。

mc68hc908rf2芯片，具有hc08內(nèi)核、2kflash用戶存儲(chǔ)器、256字節(jié)專用flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，128字節(jié)ram、17位尋址、16位索引寄存器和堆棧指針、8個(gè)通用i/o口、6個(gè)具有鍵盤中斷功能的輸入、2個(gè)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(hào)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(wú)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(jī)）的硬件設(shè)計(jì)

（1） 主機(jī)的接收電路：主機(jī)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(guò)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(shí)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(cè)的數(shù)據(jù)管理器（dm）；帶有manchester編碼信號(hào)的時(shí)鐘恢復(fù)；可完全由spi接口配置；較少的外部元件。

（2） 主機(jī)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(shí)利用兩個(gè)不同的頻率來(lái)表示數(shù)字的高、低信號(hào)，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(shí)，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(gè)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(lái)的8bit（b8）用于配置寄存器cr2中的配置值，目的是用來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)管理器，剩余的4bit（0110）用來(lái)激活mc33594使其工作，表明有效數(shù)據(jù)的開(kāi)始；（2）縮緊隨前導(dǎo)位（prea-mble）的有效數(shù)據(jù)是器件的id號(hào)，共32bit，用來(lái)區(qū)分不同的發(fā)射器，（3）壓力和溫度信號(hào)，各占8bit；（4）狀態(tài)信號(hào)，占8bit；（5）8bit的校驗(yàn)和2bit的停止位，校驗(yàn)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(gè)停止位通知接受器傳送數(shù)據(jù)完畢；整個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀共包含了82個(gè)數(shù)據(jù)位。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

5.1 信號(hào)檢測(cè)處理和發(fā)射程序的設(shè)計(jì)

模塊每3秒被喚醒，測(cè)量溫度和壓力參數(shù)，將最大值和最小值存入ram中，如果沒(méi)有變化，增加計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，返回休眠模式；經(jīng)過(guò)10個(gè)計(jì)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(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送流程

首先測(cè)量電池的電壓，電壓正常則進(jìn)入工作模式，測(cè)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(cè)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(jī)系統(tǒng)，自檢通過(guò)則led閃爍，否則點(diǎn)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(yàn)，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(jī)接收和處理系統(tǒng)的程序流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)

基于motorola公司的嵌入式微處理器的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成度較高，穩(wěn)定性好，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎氣壓、溫度及監(jiān)測(cè)模塊供電電壓三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)輪胎漏氣、溫度升高等異常情況時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)報(bào)警，從而確保行車安全，延長(zhǎng)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(jì)采用合適的采樣周期和工作模式來(lái)滿足低功耗和安全兩個(gè)方面的要求。此外，主機(jī)顯示模塊還可以通過(guò)擴(kuò)展液晶顯示、語(yǔ)音報(bào)警及提供與汽車控制系統(tǒng)接口等，來(lái)適應(yīng)不同用戶需要。隨者人們對(duì)汽車主動(dòng)安全性的的要求的提高，及tpms對(duì)防止重大交通安全事故發(fā)生的積極作用，市場(chǎng)對(duì)高性能tpms的需求量將會(huì)進(jìn)一步增加。因此，汽車輪胎胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有廣闊的的發(fā)展空間和非常好的市場(chǎng)前景。