【正文】 (3)輪胎壓力、溫度信息不僅是作為輪胎狀態(tài)信息而存在 ,還對汽車的行駛里程、行駛速度及舒適性等都有影響。胎壓檢測系統(tǒng)的進一步發(fā)展有可能會是智能輪胎 。此外 ,還設(shè)計實現(xiàn)了對 LCD 顯示報警功能。本章將對作者的工作做一簡要總結(jié) ,并提出今后進一步的工作 ,最后講述作者在這次工作中的幾點心得和體會。主機模 塊主流程圖如圖 所示。具體的聲光報警電路硬件連接如前圖 所示。 在系統(tǒng)的 5 個報警 LED 中， 1～ 4 號 LED 分別表示汽車左前、右前、左后和右后 4 個位置的輪胎： (1) LED 不亮，壓力信息正常，這也是 1～ 4 號 LED 絕大多數(shù)時間所處的狀態(tài)。它的工作電壓也為 +5V，同時具有功耗底等優(yōu)點是本設(shè)計的理想器件。處理芯片采用 STC12C5416AD 芯片 ,顯示單元采用 LED 燈 來顯示。 微控制器可通過引腳 STROBE 選通 MC33594，也可讓 MC33594 內(nèi)部工作在等待 休眠循環(huán)模式下來降低功耗，在引腳 STROBE 上加高電平就能將處于休眠狀態(tài)的 MC33594 激活。 STC12C5416AD 的工作電壓有 2 個， 3V 或 5V 均可，工作溫度范圍－ 40℃～＋ 125℃。若發(fā)射頻率為 ，則接收機的工作頻率為 ，取頻段中心頻率為 時，工作波長λ≈ 。 由于輪胎模塊要安 置在輪胎內(nèi)進行參數(shù)監(jiān)測，限制了天線尺寸，因此設(shè)計性能良好的電小天線非常重要，本文采用法向模螺旋天線代替以前采用的短偶極子天線以提高效率。 胎壓模塊軟件的總設(shè)計流程圖如圖 所示 :在數(shù)據(jù)采集階段 ,系統(tǒng)首先初始化 ,然后進入等待狀態(tài)。 胎壓模塊軟件設(shè)計 軟件設(shè)計是胎壓檢測系統(tǒng)研究工作的重要組成部分。壓力代表了由傳感器測量的壓力數(shù)值 ,它是個 8位的值。也就是說 MC33594 輸出的數(shù)據(jù)從設(shè)備 ID開始。如圖 所示數(shù)據(jù)幀完整信息示例。在使用前 ID 的值存儲在配置寄存器 CRZ 中。因此本系統(tǒng)編程語言選用 C 語言 。 圖 輪胎模塊軟件設(shè)計 軟件設(shè)計分成兩個部分：發(fā)射模塊軟件設(shè)計和接收模塊軟件設(shè)計。 表 32頻帶選擇及附加分頻器比率 CF控制位輸入電平 頻段（ MHz） 鎖相環(huán)（ PLL）分頻比 晶體振蕩器頻率（ MHz） 低電平 315 高電平 434 發(fā)射機 MPXY8300 的內(nèi)部集成模塊 MC33493 提供一個數(shù)字輸出引腳 (DATACLK)給微控制器，用于給串行輸入數(shù)據(jù)提供參考同步脈沖， CKREF 控制位控制通過 Dx 信號給 MCU 的參考時鐘的輸出；建議初始化 RF 傳輸之前清除 CKREF 位，以降低雜散噪聲； CKREF 控制位通過 RFX 復(fù)位清零 [16]；如表 所示，發(fā)射器為輸入數(shù)據(jù)提供的同步時鐘選擇的兩種模式。 表 MPXY8300 的工作模式 S1 S2 工作模式 工作電流 串行數(shù)據(jù)計數(shù)器 壓力測量系統(tǒng) 溫度檢測系統(tǒng) A/D輸出比較 LFO晶體 0 0 空閑 /復(fù)位 OFF OFF OFF ON 工作 0 1 壓力檢測 OFF OFF OFF ON 復(fù)位 1 0 溫度檢測 OFF ON OFF ON 復(fù)位 1 1 數(shù)據(jù)輸出 OFF OFF ON ON 工作 輪胎模塊電路設(shè)計 發(fā)射電路是實現(xiàn)輪胎模塊與主機模塊之間通信的硬件連接，主要由超高頻 (UHF)發(fā)射器、外圍電 路、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線構(gòu)成。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 加速度測量包含一個模擬接口 (ACI)與加速度傳感單元連接。 MPXY8300 工作流程如圖 所示。 輪胎模塊硬件設(shè)計 在不斷高速旋轉(zhuǎn)的輪胎內(nèi)部這樣的封閉工作環(huán)境中，要求輪胎模塊功耗低、體積小、重量輕。 (3) 睡眠模式 以最低的功耗運行，響應(yīng)系統(tǒng)的運行要求。圖 是系統(tǒng)軟件的功能框圖。解調(diào)電路由輪胎發(fā)射出來的射頻信號放大解調(diào)后，將 數(shù)字信號送給微處理器串行接口。 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計 輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)是通過先進的傳感技術(shù)，在汽車行駛過程中，利用傳感器來直接測量輪胎的氣壓和溫度，并通過無線調(diào)制發(fā)射到駕駛室的控制臺上，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓和溫度狀況，并對輪胎漏氣、低氣壓和高溫進行自動報警，以保障行車安全。因為輪胎模塊是置于輪胎內(nèi)部的，所以電子組件面對的將是輪胎內(nèi)部的惡劣環(huán)境，包括－ 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 40℃～ +125℃的寬工作溫度范圍以及潮濕、灰塵和剎車油等其他介質(zhì)的侵襲 [10]。但是汽車在高速跑動時輪胎內(nèi)環(huán)境和溫度是十分惡劣的，壓力、溫度、濕度變化特別大，所以該模塊的設(shè)計要按汽車級的要求來選用元器件。而基于 SAW 的直接無源式 TPMS 主要優(yōu)點是傳感器部分不需要電池供電，而且質(zhì)量較小，目前已經(jīng)開發(fā)出的實驗傳感器只有 5g 左右，同時可在高低溫等惡劣環(huán)境下工作，但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器 (Transponder)整合至輪胎中，這需要各輪胎制造商建立共同的標(biāo)準(zhǔn)才有可能實現(xiàn) [8]，因此，無源式 TPMS 短期內(nèi)還難以流行。輪胎監(jiān)測模塊由壓力 /溫度傳感器、微控制器 (MCU)、射頻 (RF)發(fā)射器組成，中央監(jiān)視器由 RF 接收器、 MCU 以及 LCD、按鍵、報警模塊等組成。主要功能是在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓和溫度進行自動監(jiān)測，對輪胎快速漏氣、高低氣壓和高溫分級報警，從而達到預(yù)防爆胎、降低油耗的目的，以保障安全和經(jīng)濟行車。在對系統(tǒng)方案的論證基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)性能要求和實施方案，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。 本文研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 研究內(nèi)容 該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能：將通過在輪胎內(nèi)部安裝的壓力和溫度傳感器，中央控制單元對輪胎內(nèi)部的溫度、壓力值進行采集、處理后通過無線通訊的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給駕駛室內(nèi)部的中央監(jiān)視器。 (2)延長輪胎使用壽命 統(tǒng)計表明：輪胎氣壓不足行駛，車輪氣壓比正常值下降 10%，輪胎壽命減少 15%。為了增強傳感器功能，不少傳感器還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內(nèi)部時鐘、看門狗及其它功能的數(shù)字信號處理單元。 輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀 目前市場上主流 TPMS 的實現(xiàn)方式是利用安裝在每一個輪胎內(nèi)部的輪胎監(jiān)測模塊來直接測量輪胎的壓力、溫度，并通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到安裝在駕駛室的中央控制模塊。 研究背景 汽車在高速行駛過程中， 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。因此，及時地了解和準(zhǔn)確掌握輪胎的溫度、壓力狀況是避免爆胎，提高汽車安全行駛水平的有效途徑 [2]。 本課題主要研究的是一種用于 機動車輛上的輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)。文中提出了一種基于無線技術(shù)的輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)的方案，設(shè)計綜合運用了檢測技術(shù)、單片機技術(shù)及無線通信技術(shù) ,其中發(fā)射模塊能實時檢測、處理輪胎的壓力和溫度參數(shù) ,并運用無線方式將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮漳K 。 國外因立法較早， TPMS(Tire Pressure Monitoring System)成為標(biāo)配，市場占有率高。據(jù)統(tǒng)計 [3]，在高速公路上發(fā)生的交通事故有 70%～ 80%是由于爆胎引起的，怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。中央控制模塊實時顯示每個輪胎的壓力、溫度，駕駛員 可以直觀的了解各個輪胎的壓力、溫度等狀況，當(dāng)輪胎壓力、溫度太低或者太高，系統(tǒng)會自動報警，提醒駕駛員，防止事故發(fā)生。 (2) 無源 TPMS，指 TPMS 的輪胎監(jiān)測模塊不使用電池供電。TMPS 系統(tǒng)實時監(jiān)測每個輪胎的動態(tài)瞬時氣壓，當(dāng)輪胎氣壓出現(xiàn)異常時能及時自動報警，從而減少車胎的損毀，延長輪胎使 用壽命。中央監(jiān)視器對輪胎的數(shù)據(jù)進行分析，如果發(fā)現(xiàn)輪胎的狀態(tài)異常，則通過聲光報警提示駕駛員進行處理。 第三章：輪胎模塊硬件和軟件的設(shè)計 。 針對在汽車惡劣的工 作環(huán)境下，設(shè)計滿足國內(nèi)外 TPMS 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo) (中國的標(biāo)準(zhǔn)高于國外標(biāo)準(zhǔn) )[7]，綜合目前市場存在的經(jīng)典方案，分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)，本文設(shè)計一種具有高度集成性、高可靠性、低功耗性的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)。一般情況下，一輛轎車或面包車的 TPMS 系統(tǒng)有 4 或 5 個 (包括備用胎 )監(jiān)測模塊，一輛卡車有 8～ 36 個 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 監(jiān)測模塊，本系 統(tǒng)設(shè)計主要面向四輪輕型汽車的輪胎狀態(tài)監(jiān)測，其安裝位置示意圖如圖 所示，固定在每個車輪中的壓力、溫度傳感器直接測量每個輪胎的氣壓和溫度，然后通過RF 發(fā)射器將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到中央監(jiān)視器。 直接式 TPMS 總體設(shè)計 系統(tǒng)組成 本課題所要 實現(xiàn)的 TPMS 為直接式電池供電的 TPMS。而對于中央監(jiān)視器，由于其安裝在汽車車廂內(nèi)，環(huán)境溫度變化不大，電源可以使用汽車的 12V～24V 電源，因此器件的選用只要是工業(yè)級即可，省電的要求也不高。 TPMS 傳感器特別容易被腐蝕，因為它的壓力進氣口必須與空氣接觸才能監(jiān)測周圍的壓力，而好的介質(zhì)兼容性可以確保傳感器能得到全面保護。還可以延長輪胎的使用壽命，有效降低油耗，能保持最佳車輛性能。微處理器再進行譯碼，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎的位置和壓力值；然后作出相應(yīng)的處理，如更新當(dāng)前壓力值，聲光報警等。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10 輪 胎 檢 測 模 塊 主 程 序數(shù)據(jù)測量程序發(fā)射程序數(shù)據(jù)處理主 機 模 塊 主 程 序接收程序L C D顯示數(shù)據(jù)處理聲光報警鍵盤操控 圖 從圖中可以看出，輪胎模塊的軟件需要具有 3 種主要功能：測量、處理數(shù)據(jù)和發(fā)射。 (4) 測量模式 測量模式主要完成以下功能： (1) 定時測量輪胎壓力、溫度； (2) 壓力在不同級別區(qū)域內(nèi)有報警時，同一個級別只上報一次； (3) 壓力無變化，固定間隔時間段上報一次壓力、溫度； (4) 保證系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)每隔一定時間復(fù)位一次； （ 5）不同級別報警同時出現(xiàn)，則以高溫、高壓、低壓級別的優(yōu)先級報警。因此，在設(shè)計中盡量減少芯片外圍器件的數(shù)量，設(shè)計面積較小的輪胎模塊電路。 MCU 使用標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口 (SPI)和 RFX 進行接口連接，從而在 RFX內(nèi)形成獨立的數(shù)據(jù)和地址總線結(jié)構(gòu)?？刂茊卧系目刂莆贿\行 ACI給 gCell 供電，獲得電壓，然后由 ADC 進行轉(zhuǎn)換。 MPXY8300 微控制器內(nèi)部集成射頻發(fā)射模塊 MC33493內(nèi)核，與主機模塊的射頻接收器 MC33594 相對應(yīng)的射頻接收芯片進行無線通訊。 表 CKREF控制位輸入電平 時鐘模式 0 時鐘信號禁用 1 時鐘連接到 MCU 一個完整的發(fā)射 /接收電路不僅僅只是 UHF 發(fā)射 /接收器及其外圍器件的簡單連接，還要有適合數(shù)據(jù)發(fā)射 /接收的匹配網(wǎng)絡(luò) (Matching Network)和天線（ Antenna）。除了通訊協(xié)議外，這兩個部分的軟件設(shè)計沒有直接的聯(lián)系。 通信協(xié)議 無線數(shù)據(jù)通信雙方之間的通信 協(xié)議是指數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成方式 ,通訊協(xié)議的合理性是影響數(shù)據(jù)傳輸可靠性的重要因素之一。 ID 字像數(shù)據(jù)一樣發(fā)送。 圖 數(shù)據(jù)幀完整信息示例 下面將描述系統(tǒng)的通訊協(xié)議。 設(shè)備 ID 是 32 位長。溫度代表了傳感器測量的溫度數(shù)值 ,它也是個 8 位數(shù)值。本系統(tǒng)輪胎溫度和壓力數(shù)據(jù)的讀取與輸出 ,數(shù)據(jù)的串行通信和數(shù)據(jù)的分析、顯示、報警等都必須通過軟件功能來實現(xiàn)。當(dāng)定時中斷到來時 ,采集數(shù)據(jù) ,并比較決定是否發(fā)射壓力、溫度數(shù)據(jù)。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 20 系統(tǒng)中發(fā)射器與小天線匹配非常重要，如果兩者失配，造成的能量損耗非常大，直接影響到發(fā)射模塊的有效發(fā)射距離。 根據(jù)法向模螺旋天線的基本原理，并通過上述公式計算出中心頻率為 螺旋天線的幾何參數(shù)：螺旋軸向長度為 ，線圈半徑為 ， 圈數(shù)為 5 匝，螺旋線徑為 ，接地高為 1mm[20]。但為了 統(tǒng)一主機模塊電路的工作電壓，方便電源電路的設(shè)計， STC12C5416AD 采用 5V的工作電壓 [21]。當(dāng)接收電路工作在 315MHz 頻段時，應(yīng)選擇 晶振；工作在 434MHz 時，選 的晶振。接收到的數(shù)據(jù)由 MC33594 按一定格式通過 SPI 接口傳送到STC12C5416AD 中進行處理 ,并通過 LED 燈的點亮來對相應(yīng)輪胎進行報警。該顯示模塊的地址映射表如表 。 (2) LED 閃爍，輪胎模塊需要服務(wù)：表示該輪胎內(nèi)的電池電壓不足；較長時間未接收到該輪胎模塊發(fā)送的信息，可 能存在技術(shù)故障。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到輪胎的異常工作狀態(tài)時，通過 LED 報警給出故障輪胎所在位置及故障類別，同時顯示模塊顯示故障輪胎的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)出蜂鳴報警音，提醒駕駛員及時檢查輪胎故障原因，排除事故隱患。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 27 開 始初 始 化 M C U初 始 化M C 3 3 5 9 4初 始 化 成 功顯 示 錯 誤 代 碼S P I 中 斷輪 胎 參 數(shù) 處 理參 數(shù) 設(shè) 定 查 詢 處 理報 警 處 理Y 圖 參數(shù)設(shè)定模塊