【正文】 現(xiàn)低功耗運動開關(guān)或是內(nèi)部加速度傳感器必不可少所以方案一的傳感器需要外擴運動開關(guān)而方案二中 SPl2 內(nèi)建慣性傳感器可偵測車輪運轉(zhuǎn)多數(shù)時間汽車處于靜止狀態(tài)通過慣性傳感器的輔助可大幅度節(jié)省電量 相對于方案一中的兩種芯片 PICl6F628A 具有更卓越的低功耗工作能力能提供 ICSP 編程方式能夠完全滿足設計要求 ⑶抗干擾性 因為在方案一中輪胎模塊的發(fā)射器與微處理器是集成在一個芯片上的所以抗干擾能力比較強在輪胎這種惡劣的工作環(huán)境中穩(wěn)定性較強方案 二的傳感器雖然精度較高但是輪胎模塊的集成度不夠高抗干擾能力相對較弱 通過上述方案的比較最終確定選擇方案二方案二具有更高的測量精確度低功耗性能和較高靈活度雖然集成度的提高可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期但卻會增加研究的被動性將 MCU 脫離出來一則增加的了選擇的靈活度二則更有利于了解系統(tǒng)的局部構(gòu)架分離器件的系統(tǒng)一旦設計出來再要設計集成器件系統(tǒng)就不存在障礙了雖然方案二的干擾性相對方案一較弱但總體來說設計方案二要優(yōu)于方案一因此最終方案選擇方案二 22 系統(tǒng)硬件電路設計 單片機控制模塊 PIC16F628A 單片機是 18 引腳的 8 位 CMOS 閃存單片機具有多用途低成本高性能和全靜態(tài)的特點所有 PICmicro 單片機均采用先進的 RISC 架構(gòu) PIC16F628A具有增強的內(nèi)核功能 8 級深度的堆棧以及多種內(nèi)部和外部中斷源哈佛架構(gòu)獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線允許同時取 14 位寬指令字與獨令需要兩個周期以外的所有指令都能在單個周期內(nèi)執(zhí)行總共有 35條指令精簡指令集可用 PIC16F628A單片機與同類的其他 8 位單片機相比通常能實現(xiàn) 21 的代碼壓縮率和 4 倍的速度提升其引腳如圖 24 所示 圖 24 PIC16F628A 的引腳圖 PIC16F628A 器件集成 了很多功能部件從而減少了外部元件的使用因此降低了系統(tǒng)成本提高了系統(tǒng)可靠性并降低了功耗 PIC16F628A 有 8 種振蕩器配置單引腳的 RC 振蕩器提供了低成本的解決方案 LP 振蕩器可將功耗降至最低 XT 是標準晶振而 INTOSC 是獨立的高精度雙速內(nèi)部振蕩器 HS 模式是高速晶振 EC 模式則是采用外部時鐘源休眠斷電模式可以節(jié)能用戶可以通過幾種外部中斷內(nèi)部中斷以及復位將芯片從休眠狀態(tài)喚醒高可靠性的看門狗自帶了片上 RC 振蕩器能夠避免程序鎖死 PIC 單片機的特點如下 1 高性能 RISC CPU 1 工作速度可從 DC 到 20MHz 2 中斷能力 3 8 級深度硬件堆棧 4 直接間接和相對尋址模式 5 35 條單字指令 6 除了轉(zhuǎn)移指令以外所有指令均為單周期指令 2 單片機的特殊功能 1 內(nèi)部和外部振蕩器選擇 高精度的內(nèi)部 4MHz 振蕩器出廠時精度校準為177。 1 低功耗內(nèi)部 48kHz 振蕩器 可使用晶振和諧振器作為外部振蕩器 2 節(jié)能的休眠模式 3 PORTB 上有可編程的弱上拉功能 4 主復位輸入引腳復用 5 看門狗定時器帶有獨立的振蕩器能保證可靠的運行 6 低電壓編程 7 在線串行編程 8 可編程代碼保護 9 欠壓 復位 10 上電復位 11 上電延時定時器和振蕩器起振定時器 12 寬工作電壓范圍 13 工業(yè)級和擴展級溫度范圍 14 高耐用性閃存 EEPROM 單元 閃存可經(jīng)受 10 萬次寫操作 EEPROM 可經(jīng)受 100 萬次寫操作 數(shù)據(jù)保持期為 40 年 3 低功耗功能 1 待機電流 當電壓為 20V 時典型值為 100nA 2 工作電流 當頻率為 32kHz 電壓為 20V 時典型值為 12μ A 當頻率為 1MHz 電壓為 20V 時典型值為 120μ A 3 看門狗定時器電流 當電壓為 20V 時典型值為 1μA 4 Timer1 振蕩器電流 當頻率為 32kHz 電壓為 20V 時典型值為 12μ A 5 雙速內(nèi)部振蕩器 有 4MHz 和 48kHz 兩種頻率可供選擇 從休眠狀態(tài)喚醒 4μ s30V 典型值 4 外設功能 1 16 個具有獨立方向控制的 IO 引腳 2 較高灌拉電流用于直接驅(qū)動 LED 3 模擬比較器模塊帶有 兩個模擬比較器 可編程的片上參考電壓 VREF 模塊 可選擇的內(nèi)部或外部參考電壓 可外部訪問比較器輸出 4 Timer0 帶 8 位可編程預分頻器的 8 位定時器計數(shù)器 5 Timer1 帶有外部晶 振時鐘源功能的 16 位定時器計數(shù)器 6 Timer2 帶 8 位周期寄存器預分頻器和后分頻器的 8 位定時器計數(shù)器 7 捕捉比較 PWM 模塊 8 可尋址的通用同步異步收發(fā)器 USARTSCI 路 在圖 25 所示的射頻信號電路中采用 Nordic 公司的 nRF401 器件該器件是433MHz ISM 頻段的單片 UHF 無線收發(fā) IC 它采用 FSK 的調(diào)制解調(diào)技術(shù)其最高工作速率可達 20kb 發(fā)射功率可調(diào)最大達 10dBm 基本技術(shù)指標如下中心載頻點為4339243433MHz最大發(fā)射功率為 10dBm工作電壓為 27525V接收時消耗電流為 250μ A 發(fā)射時最大為 28mA 待機電流為 8μ A 圖 25 發(fā)射接收模塊電路 NRF401 的 ANT1 和 ANT2 是天線的輸入輸出復用腳在輸入模式時射頻信號通過將該腳連接到低噪音放大器后解調(diào)同樣在輸出模式時調(diào)制的信號在功率放大后通過該腳輸出 4 腳為 nRF401 的 PLL 鎖相環(huán)濾波器輸入該腳正常工作時的電壓是 11V177。 02V5 腳和 6 腳為壓電晶振控制的外圍電路此兩腳間接一個 Q 45 在433MHz值的 22 μ H電感 7腳和 8腳分別為數(shù)據(jù)輸入腳和輸出腳配合 18腳 PWR_UP和 19 腳 TXEN 上的電位時序完成信息的發(fā)送和接收 11 腳外接射頻 功率控制電阻如圖 2 中的 R3 該值在 22～ 100kΩ之間一般在 30kΩ左右達到 7dBm 重要的時序參數(shù) NRF401 在不同工作模式下的時序如表 21 所示 表 21 nrf401 的工作時序表 模式控制 名稱 最大延時 條件 TX→ RX t 3 ms 連續(xù)工作 RX→ TX t 1 ms Stdby→ TX t 2 ms Stdby→ RX t 3 ms VDD 0→ TX t 4 ms 上電 VDD 0→ RX t 5 ms TX RX 的切換 當從 RXTX 模式時數(shù)據(jù)輸入腳 DIN必須保持為高至少 1ms才能發(fā)送數(shù)據(jù)時序如圖 a 所示當從 TXRX 模式時數(shù)據(jù)輸出腳 DOUT 要至少 3ms 以后有數(shù)據(jù)輸出如圖所示 TX RX 的切換 Standby RX 的切換 從待機模式到接收模式當 PWR_UP輸入設成 1時經(jīng)過時間后 DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效請看表對 nRF401 來說最長的時間是 3ms 如圖所示 Standby TX 的切換 從待機模式到模式請看表 21 圖 27Standby RX 和 Standby TX 切換 Power Up TX 的切換 從加電到發(fā)射模式過程中為了避免開機時產(chǎn)生干擾和輻射 在上電過程中TXEN 的輸入腳必須保持為低以便于頻率合成器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)當由上電進入發(fā)射模式時 TXEN 必須保持 1ms 以后才可以往 DIN 發(fā)送數(shù)據(jù)見圖 a Power Up RX 的切換 從上電到接收模式過程中芯片將不會接收數(shù)據(jù) DOUT 也不會有有效數(shù)據(jù)輸出直到電壓穩(wěn)定達到 27V以上并且至少保持 5ms如果采用外部振蕩器這個時間可以縮短到 3ms 見圖 28 Power Up TX 和 Power Up RX 的切換時序圖 線的結(jié)構(gòu) 由于天線有不同類型應根據(jù)具體應用要求來選擇本應用中天線位于汽車輪轂內(nèi)緊 靠氣門嘴在高速行駛中天線不斷變換方向為了盡可能擴大接收的角度選用螺旋天線螺旋天線的圈數(shù) N直徑 D和圈距 S決定了天線的增益和方向性天線的總長為 LN NLo Nsqrt S2C2 這里 C π D 是螺旋的園周 Lo sqrt S2C2 是一圈導線的長度 另一個重要參數(shù)是螺旋角α它是螺旋線切線和螺旋軸垂直平面的夾角螺旋角的定義為α tan1 SC 螺旋天線有以下 2 種工作模式 1 常態(tài)模式在常態(tài)工作模式天線輻射場在相對于螺旋軸的法線平面有極大值對于該模式 NLo λ 2 軸向端射模式這種工作模式只有一個主瓣它的最大輻 射強度沿著螺旋軸副瓣與軸間有一個傾斜角度為激勵這種模式其直徑 D和空間 S必須是波長的一個大分數(shù) 本設計采用單端天線時匹配網(wǎng)絡的設計圖的 180nH 電感要求自諧振頻率大于 433MHz 根據(jù) 具體應用不同在 RF 輸入輸出處可能需要 LC 匹配網(wǎng)絡單端天線到 nRF401 的連接也可以采用一個 81 的 RF 線圈匹配阻抗 圖 29 單端天線時匹配網(wǎng)絡英飛凌公司的 SP12 傳感器整合了硅顯微機械加工的壓力與加速度傳感器溫度傳感器和一個電池電壓監(jiān)測器提供四合一傳感功能并配有一個能完成測量信號補償與調(diào)整及 SPI 串行通信接口 CMOS 大規(guī)模集成電路英飛凌的 SP12 傳感器測量范圍 1 壓力范圍 100kPa 到 450kPa 分辨率137kPalsb 2 加速度范圍 12g 到 115g 分辨率 05glsb 3 溫度范圍 40 到 125 分辨率 1lsb 4 傳感器供電電壓 分辨率 184mVlsb 英飛凌的 SP12 傳感器的優(yōu)點 1 檢測精度方面硅壓阻式壓力傳感器 SP12 是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的其測量精度能達 001～ 003FS 2 測量可靠性方面 SP12 設有補償功能可以對壓力 加速度溫度供電電壓信號進行檢測和補償準確提供不同型號 輪胎在不同環(huán)境時的正確補償值有效地保證了測量可靠性 3 低功耗方面英飛凌的 SP12 傳感器首先是采用了喚醒瞬態(tài)工作模式當它工作在睡眠工作模式時其功耗僅 06 微安秒器件所有數(shù)字模擬部分全部工作時的電流消耗是 6mA 大大地降低系統(tǒng)功耗延長了電池的使用壽命 圖 210 傳感器電路 SP12 傳感器引腳 NCS 片選使能輸入信號當 NCS 接收到低電平信號時 SP12 被選中工作否則 SP12不工作 SCLK串行時鐘輸入輸出用于輸出或者接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇袝r鐘本例中用于接收來自單片機的串行時鐘 SDI 串行數(shù)據(jù)輸入信號用于接收單片機的串行數(shù)據(jù)輸入 SDO 串行數(shù)據(jù)輸出信號用于向單片機串行輸出 SP12 的測量數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行處理由于 SP12 測量的壓力溫度加速度以及電壓并不能直接用來表示實際的壓力溫度加速度以及電壓需要進行二次處理才能轉(zhuǎn)化為實際檢測值所以需要單片機對接收到的 SP12 響應數(shù)據(jù)進行處理后才能送到液晶顯示器進行顯示 1 壓力數(shù)據(jù)處理實際壓力 溫度字節(jié)數(shù)據(jù) 137 100kPa 2 溫度數(shù)據(jù)處理溫度字節(jié)中的內(nèi)容 T50 反映了測量到的溫度 T 單位是攝氏度其范圍是10175對應于 40125的溫度范圍即實際溫度 溫度字節(jié)數(shù)據(jù) – 50由于溫度測量存在非線 性誤差因此必須進行修正修正公式為 － 1 － 09202100022 式中為修正后的溫度為實際溫度為非線性誤差 3 加速度數(shù)據(jù)處理實際加速度 加速度字節(jié)數(shù)據(jù) 05– 12g 4 電壓數(shù)據(jù)處理實際電壓 電壓字節(jié)數(shù)據(jù)00184 173V1602LCD 分為帶背光和不帶背光兩種帶背光的比不帶背光的厚是否帶背光在應用中并無差別如圖所示 圖 211 1602LCD11602LCD 主要技術(shù)參數(shù)顯示容量 16 2 個字符 芯片工作電壓 4555V 工作電流 20mA 50V 模塊最佳工作電壓 50V 字符尺寸 295 435 W H mm 引腳功能說明 1602LCD采用標準的 14腳無背光或 16腳帶背光接口各引腳接口說明如表所示 22 1602LCD 引腳說明 編