基于CC2530和MPXY8020A的汽車(chē)輪胎預警監測系統設計

摘要：基于CC2530芯片和MPXY8020A傳感器設計了一種低成本低功耗的直接式汽車(chē)主動(dòng)輪胎預警監測系統。該系統能夠實(shí)時(shí)監測行駛中汽車(chē)輪胎的氣壓、溫度和系統的電量，并通過(guò)ZigBee技術(shù)將這些參數信息無(wú)線(xiàn)傳輸到中央監視模塊．實(shí)現輪胎故障主動(dòng)預警。系統采用低功耗設計，優(yōu)化硬件和軟件，降低運行功耗，保證在電池電量有限的情況下，延長(cháng)系統壽命1～2年；采用高集成度芯片減小了檢測模塊的質(zhì)量和體積，降低了檢測模塊引起的輪胎偏心；通過(guò)濾除汽車(chē)行駛過(guò)程中干擾因素引起的輪胎壓力尖峰，使得測量的輪胎壓力更加準確和穩定。
關(guān)鍵詞：汽車(chē)電子；主動(dòng)安全；輪胎壓力監測系統；ZigBee

0 引言
據統計，在我國高速公路上發(fā)生的交通事故中，46％是由于輪胎故障引起的，其中爆胎占70％。輪胎內壓力和溫度是引發(fā)輪胎故障的關(guān)鍵因素。在汽車(chē)行駛中，輪胎的氣壓過(guò)高，會(huì )減少輪胎與地面的接觸面積和減震空間，嚴重影響輪胎與地面的摩擦力和輪胎的減震效果。除了影響汽車(chē)性能外，還會(huì )對汽車(chē)的懸掛系統造成很大的沖擊。輪胎氣壓過(guò)低，輪胎的應力變形增加，在交變應力的作用下導致汽車(chē)輪胎的溫度升高，溫度過(guò)高時(shí)，輪胎的熱學(xué)性能和力學(xué)性能會(huì )明顯下降，從而導致輪胎壽命下降，甚至爆胎。同時(shí)輪胎的磨損加快，輪胎的載荷承載能力明顯下降，摩擦阻力增加，油耗上升。維持輪胎在正常氣壓和溫度范圍內工作，是避免輪胎故障的關(guān)鍵。汽車(chē)輪胎壓力監測系統(Press ure-Sensor Based Tire Pressure Monitoring System，PSB TPMS)主動(dòng)監測輪胎內壓力和溫度，預警輪胎異常，有效避免由輪胎故障引發(fā)的交通事故，是汽車(chē)電子向主動(dòng)安全發(fā)展的重要方向。

1 系統組成及工作原理
直接式TPMS包括輪胎監測模塊和中央監視模塊兩部分，系統的結構圖如圖1所示。

輪胎監測模塊由帶有補償功能的高集成MPXY8020A傳感器、德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530系統級射頻單片機、天線(xiàn)和鋰電池組成。該模塊主要功能是周期性被喚醒，MPXY8020A傳感器測量輪胎壓力和溫度，CC2530采集的輪胎壓力、輪胎溫度和電池電量信息，并將這些信息打包成數據幀，按照IEEE 802．15．4協(xié)議通過(guò)RF射頻前端無(wú)線(xiàn)發(fā)送到中央監視模塊。
中央監視模塊由CC2530、天線(xiàn)、LCD、LED指示燈和鋰電池組成。該模塊解析接收到的數據幀，將輪胎壓力、溫度和監測模塊的電量實(shí)時(shí)顯示在LCD上面。當測量值超過(guò)警戒范圍時(shí)，LCD上面相應位置的輪胎會(huì )變成紅色并閃爍，相應的LED閃爍。
中央監視模塊與輪胎監測模塊的無(wú)線(xiàn)通信采用ZigBee聯(lián)盟制定的高可靠、高性?xún)r(jià)比、低功耗的IEEE802．15．4協(xié)議。在協(xié)議規定的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，中央監視模塊作為協(xié)調器，輪胎監測模塊作為終端設備。在本系統中終端設備和協(xié)調器組成星形網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，終端設備將采集的壓力、溫度和電量信息發(fā)送到協(xié)調器設備。網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖2所示。

2 TPMS硬件選型和電路設計
2．1 輪胎檢測模塊
鑒于輪胎檢測模塊安裝在輪胎內部，不可經(jīng)常拆卸更換電池，因此模塊可用能源有限，必須采用低功耗的傳感器、RF射頻模塊和MCU；為了防止模塊的重量引起輪胎較大偏心造成輪胎震動(dòng)影響汽車(chē)性能，模塊的質(zhì)量必須控制在一定范圍內。
傳感器采用集成溫度和壓力傳感器的高集成低功耗MPXY8020A。MPXY8020A有多種功耗模式，通過(guò)設置引腳1(S1)和引腳2(S2)的高低配置工作模式。各種模式下傳感器的功耗如表1所示。

MPXY8020A的引腳4(OUT)有兩種功能：當處于空閑模式時(shí)，大約每隔3 s輸出一個(gè)370μs的低電平來(lái)喚醒外部采集設備；當處于數據輸出模式時(shí)，該引腳根據采樣值和D／A中值的關(guān)系輸出不同的電平。輸出為高電平時(shí)，表示測量完成。