新型射頻收發(fā)芯片nRF401在汽車(chē)胎壓監視系統中的應用

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系統采用挪威Nordic公司推出的一體化無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF401，工作在433MHz 國際通用的 ISM頻段，雙工作頻段可以自由切換，FSK調制解調，采用直接數字合成 DSS + 鎖相環(huán)穩頻 PLL 進(jìn)行頻率合成，頻率穩定性好，抗干擾能力強，接收靈敏度高達-105dBm，最大發(fā)射功率為+10dBm，功耗低，接收待機狀態(tài)時(shí)，電流僅為8μA，數據傳輸速率可達20kbit/s。nRF401采用常用的4 MHz 晶振作為PLL頻率基準源，而無(wú)需昂貴的變容二極管；此外它的解調器是DC平衡的，輸入數據可以使各種011序列，無(wú)需進(jìn)行曼切斯特編碼，微控制器的UART直接與nRF401的DIN、DOUT端連接，經(jīng)過(guò)MAX232電平轉換后可直接與計算機的串口連；nRF401另一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是接收機的頻帶阻抗很高，這意味著(zhù)不需要外部聲面波濾波器，無(wú)需調試部件。
總體的硬件結構設計如圖2、3所示。由于采用了專(zhuān)用的傳感器，可以設計相對簡(jiǎn)單的硬件電路。電源由鋰電池提供。在TPMS中由于從機無(wú)法將隨時(shí)檢測的壓力通過(guò)線(xiàn)纜傳到上位機中，故應該采用無(wú)線(xiàn)傳輸。又因為汽車(chē)輪胎工作環(huán)境比較惡劣，一般的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊不能實(shí)現其功能，實(shí)踐證明無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF401通信系統在環(huán)境比較惡劣的工業(yè)現場(chǎng)工作可靠穩定。

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在硬件電路設計中我們充分考慮到系統所接收到的數據存在的干擾問(wèn)題，對相關(guān)部分的設計都采取了一定的抗干擾方案。比如在發(fā)射模塊的PCB版圖的設計中充分考慮了高頻干擾，采用的凌陽(yáng)61板作為上位機的控制器則是利用了它本身具有濾波和消除干擾的優(yōu)勢。電源直接從車(chē)內12V電源通過(guò)電壓轉換電路轉化后得到。
系統的無(wú)線(xiàn)通信部分結構上采用的是主從結構，下位機由安裝在被測汽車(chē)中的監測控制器組成，主站是設在控制中心的監控計算機；不同的下位機通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信電路將檢測到的數據發(fā)往監控計算機。同一時(shí)刻只能有1臺下位機工作，這里的通信實(shí)際上是共享介質(zhì)的，為避免多個(gè)下位機爭用信道而發(fā)生沖突，只有主站向某個(gè)下位機發(fā)送允許通信信號，下位機才發(fā)送數據。通信模塊由nRF401和很少的外圍器件組成，采用PCB天線(xiàn)，nRF401的數據收發(fā)端直接與MCU的串行口相連，MCU用3個(gè)I / O口控制nRF401的狀態(tài)，選用3V供電的低電壓MCU與nRF401共用同一個(gè)電源和同一個(gè)4MHz晶振。
2 軟件設計
無(wú)線(xiàn)通信系統中，由于供電、空間噪聲及傳輸路徑等因素的影響，直接發(fā)送數據的話(huà)很容易受到干擾，因而需要設計一種傳輸協(xié)議，保證在這種不可靠的物理鏈路上建立起可靠的數據連接，系統的無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議主要工作在OSI參考模型的數據鏈路層，通過(guò)該協(xié)議進(jìn)行必要的檢錯編碼。差錯控制保證數據傳輸的正確可靠。
下位機（以四個(gè)為例）均為實(shí)時(shí)采集數據，而系統只有一個(gè)nRF401芯片在接收，而且采用的是在同一頻率下無(wú)線(xiàn)傳輸數據的工作模式，所以四個(gè)下位機不能同時(shí)發(fā)送壓力數據，需采用應答對話(huà)方式解決這種沖突，即每個(gè)下位機被分配一個(gè)口令，可以認為是分配的地址，所有下位機平時(shí)處于接受數據的狀態(tài)，等待上位機的請求。當上位機發(fā)送帶地址的數據請求時(shí)，下位機根據接收到的地址判斷是否做出應答；上位機按順序發(fā)送各個(gè)下位機的地址后立即改為接收狀態(tài)，延遲5秒鐘后沒(méi)有接收到數據則轉變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，并報錯顯示哪個(gè)下位機出了問(wèn)題，繼續向下一個(gè)下位機發(fā)送請求；下位機接收并判斷地址數據，如果是自己的地址，即口令正確，立即變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，發(fā)送采集到的最新數據，發(fā)送后再變回接收狀態(tài)，等待上位機發(fā)回數據，以確認發(fā)送無(wú)誤（因為環(huán)境因素可能導致傳輸錯誤）；上位機接受到數據后保存，之后變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，向這個(gè)下位機發(fā)送回剛剛接受的數據，之后再接收等待，等待這個(gè)下位機的確認信號；下位機接收到傳回的數據，跟剛才發(fā)送的數據比較，如果一致，發(fā)送確認信號，如果不一致，繼續發(fā)送，并重復上兩步操作；上位機接受的如果是確認信號，那么把保存的數據送至處理程序，如果不是則重復發(fā)送地址請求。
下位機上電復位以后便開(kāi)始執行以上的初始化程序，并進(jìn)入流程圖中的循環(huán)，壓力和溫度采集是在定時(shí)中斷里完成的，中斷時(shí)間暫定每5秒鐘采集一次。為了提高系統實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，當下位機采集的電壓或溫度數據超過(guò)指定的范圍之后，下位機立即變成發(fā)送狀態(tài)，發(fā)出特殊的報警信號，而此時(shí)的上位機不管處于何種工作狀態(tài)一旦接收到報警信號，立即中斷當前通信，與這個(gè)下位機建立通信。
為提高系統的抗干擾能力，在軟件設計中系統還加入了軟件濾波環(huán)節，在連續緩沖區存儲最近5次的采集數據，并求出它們的平均值，然后作為當時(shí)的氣壓顯示出來(lái)。這樣就消除了由于某些數據的不準確而出現的尖峰值，致使系統做出誤判斷。
3 結束語(yǔ)
本文從硬件和軟件兩方面介紹了汽車(chē)胎壓監視系統中無(wú)線(xiàn)通信數據采集系統的設計，電路結構簡(jiǎn)單、抗干擾性強；該系統能及時(shí)準確的對輪胎內的溫度、壓力進(jìn)行采集，并能在出現危險狀況時(shí)報警。系統需在節能、穩定性和安裝等方面有待提高。
本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)：在汽車(chē)胎壓監視系統的軟件和硬件設計過(guò)程中運用多種抗干擾方法，大大提高了系統的抗干擾能力。