基于嵌入式微處理器的輪胎壓力監控系統的設計

1 引言

　　隨著(zhù)汽車(chē)消費市場(chǎng)的日益升溫， 汽車(chē)的安全性能更加被消費者所關(guān)注。在汽車(chē)的高速行駛中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據統計，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80％。基于此，美國運輸部(dot)國家公路交通安全管理委員會(huì )(nhtsa)出臺法規。該法規規定：2003年l1月到2006年l0月31日期間美國新出廠(chǎng)的輕型汽車(chē)將逐步引入輪胎壓力監測系統(tyre　pressure monitoring system)[2]。鑒于如此大的市場(chǎng)潛力，國內外許多公司紛紛開(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微處理器構成的輪胎壓力監控系統。其中mpxy8040和mc68hc908rf2及其外圍電路構成測量和發(fā)送子系統，mc33594和mc6-8h908kx8及其外圍電路構成接收、處理和顯示主系統。

2 tpms系統構成[2]

　　輪胎壓力監測系統分為直接系統和間接系統。間接系統即通過(guò)車(chē)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。直接式壓力測量法利用車(chē)輪內的壓力傳感器和無(wú)線(xiàn)發(fā)送器，發(fā)射信號到射頻接收器，來(lái)直接測量溫度和壓力，精度可靠，成本較高。

　　直接測量系統需要在每個(gè)輪胎上安裝1個(gè)遠程感應模塊來(lái)采集數據，在車(chē)內安裝1個(gè)接收模塊來(lái)接收和處理數據，并為司機提供適當的顯示即可。

3 硬件設計和實(shí)現

　　系統電路原理圖如圖1和圖2所示。

圖1 輪胎子系統電路原理圖

圖2 儀表盤(pán)主系統電路原理圖

　　3.1 輪胎子系統(子機)硬件設計

　　(1) 氣壓和溫度傳感器和信號調理電路。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(chē)輪胎壓力和溫度而設計的高集成芯片。該芯片內嵌一個(gè)容性絕對壓力傳感器和一個(gè)溫度傳感器，包括壓力變換器、正溫度系數擴散電阻溫度傳感器和所有必須電路，用以產(chǎn)生一個(gè)校準的8bit溫度和壓力數字輸出，能夠測量0kpa～637.5kpa的輪胎壓力和一40℃～125℃范圍內的輪胎溫度，適用于氣體媒介和一般的胎內環(huán)境。每個(gè)芯片有標識id，用于識別是哪一個(gè)輪胎。

　　mpxy8040a壓力傳感器的典型電氣參數為：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/復位、壓力檢測、溫度檢測、數據輸出；4種工作模式靈活運用以滿(mǎn)足系統節電的要求。內置的低頻振蕩器，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(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字數據信號達到了幾百米左右。

　　mc68hc908rf2芯片，具有hc08內核、2kflash用戶(hù)存儲器、256字節專(zhuān)用flash數據存儲器，128字節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(pán)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，可以完成數字信號的調制和發(fā)送、支持315/434和868/915mhz的fsk和ask調制方式，具有控制發(fā)送和輸出功率的功能，輸出功率可調(達到5dbm),數據傳輸率最大11kbps、集成pll鎖相環(huán)和vco壓頻振蕩器，采用pcb印制天線(xiàn)，發(fā)射器無(wú)須調整，外部元器件少，工作穩定可靠。

　　(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manchester編碼數據，通過(guò)通用的spi總線(xiàn)向嵌入式微處理器mc68h908kx8輸出數據。調制方式：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；內部和外部選通；1ms的喚醒時(shí)間；數據傳輸速度最高可達11kbps；帶有字節或音調探測的數據管理器(dm)；帶有manchester編碼信號的時(shí)鐘恢復；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。其它性能指標相同。

4 通訊協(xié)議和數據格式[1][5]

　　系統數據采用manchester編碼、fsk調制的方式通訊。數據的發(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調制時(shí)利用兩個(gè)不同的頻率來(lái)表示數字的高、低信號，本系統中用較低的頻率表示1、較高的頻率表示0；接收器mc33594芯片的數據管理器已經(jīng)設置成這樣的調制和解調方式。當輪胎模塊設置成發(fā)送數據時(shí)，它先喚醒接收器，然后發(fā)送數據幀，最后到睡眠狀態(tài)。一個(gè)完整的數據幀由以下幾部分構成：(1)前導同部位(preamble)，共16bit,通常設置成16進(jìn)制的fb86，前4位(1111)用于喚醒接收器并將建立內部電路；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)數據管理器，剩余的4bit(0110)用來(lái)激活mc33594使其工作，表明有效數據的開(kāi)始；(2)縮緊隨前導位(prea-mble)的有效數據是器件的id號，共32bit，用來(lái)區分不同的發(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，保證數據的完整和正確，兩個(gè)停止位通知接受器傳送數據完畢；整個(gè)完整的數據幀共包含了82個(gè)數據位。

5 系統的軟件設計

　　5.1 信號檢測處理和發(fā)射程序的設計

　　模塊每3秒被喚醒，測量溫度和壓力參數，將最大值和最小值存入ram中，如果沒(méi)有變化，增加計數器的計數值，返回休眠模式；經(jīng)過(guò)10個(gè)計數，約30秒后，將數據傳至接受器模塊，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 輪胎信號數據發(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，測量數據，發(fā)送數據，數據發(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、溫度數據測量和發(fā)送流程圖

　　5.3 儀表盤(pán)接收系統程序流程

　　上電復位后，初始化mc68h908-kx8、配置mc33594，并且自檢主機系統，自檢通過(guò)則led閃爍，否則點(diǎn)亮相關(guān)的led，之后等待spi的數據幀，收到后，進(jìn)行數據校驗，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(chē)儀表盤(pán)主機接收和處理系統的程序流程圖

6 結束語(yǔ)

　　基于motorola公司的嵌入式微處理器的輪胎壓力監測系統集成度較高，穩定性好，能夠同時(shí)監測輪胎氣壓、溫度及監測模塊供電電壓三個(gè)關(guān)鍵參數。當輪胎漏氣、溫度升高等異常情況時(shí)，系統都會(huì )自動(dòng)報警，從而確保行車(chē)安全，延長(cháng)輪胎的使用壽命，降低燃油的消耗。硬件結構采用低功耗器件，軟件設計采用合適的采樣周期和工作模式來(lái)滿(mǎn)足低功耗和安全兩個(gè)方面的要求。此外，主機顯示模塊還可以通過(guò)擴展液晶顯示、語(yǔ)音報警及提供與汽車(chē)控制系統接口等，來(lái)適應不同用戶(hù)需要。隨者人們對汽車(chē)主動(dòng)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(chǎng)對高性能tpms的需求量將會(huì )進(jìn)一步增加。因此，汽車(chē)輪胎胎壓監測系統具有廣闊的的發(fā)展空間和非常好的市場(chǎng)前景。