【正文】 選型及總體方案確定階段 :通過查閱大量的中、英文文獻(xiàn) ,了解了汽車輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r、發(fā)展趨勢以及當(dāng)前的主流技術(shù)方案。 主機(jī)模塊的軟件設(shè)計(jì) 不像輪胎模塊所處的封閉環(huán)境那樣惡劣，主機(jī)模塊沒有嚴(yán)格的耗能標(biāo)準(zhǔn)。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 表 LCDRAM D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 Z3 Z4 Z7 Z8 Z1 Z2 Z5 Z8 2 / / / / Z14 Z15 Z10 Z9 4 A1 B1 C1 H1 F1 G1 E1 D1 6 A2 B2 C2 H2 F2 G2 E2 D2 8 A3 B3 C3 Z17 F3 G3 E3 D3 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的報(bào)警電路采用聲光報(bào)警方式來提示異常 的輪胎工作狀態(tài)，通過蜂鳴片、 4 個輪胎位置報(bào)警 LED 和 1個系統(tǒng)狀態(tài) LED 來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警功能。圖 是胎壓接收顯示模塊 MC33594 的接收電路圖。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 4 主機(jī)模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)主機(jī)模塊的實(shí)現(xiàn)功能，將其細(xì)分為核心微控制器、接收電路、人機(jī)接口和顯示及報(bào)警電路四個部分詳述。 a 代表從采集數(shù)據(jù)子程序的返回入口 ,b 代表當(dāng)定時中斷到來時進(jìn)入采集數(shù)據(jù)子程序入口 ,詳見后面的采集數(shù)。 8 位數(shù)字狀態(tài)代表了發(fā)射模塊所處于的狀態(tài) ,這包括模塊的供電情況、傳輸方式等 [18]。為了方便起見 ,MC33594 的報(bào)頭 ,ID 以及頭字統(tǒng)一用報(bào)頭表示 ,這樣報(bào)頭將是 4 個字節(jié) 16 位。在本系統(tǒng)發(fā)射模塊和接收模塊之間進(jìn)行無線通信時 ,數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)幀的格式傳輸。圖 是射頻發(fā)射 /接收電路基本結(jié)構(gòu)框圖。 gCell的信號調(diào)整先是電容到電壓的轉(zhuǎn)換 (CV)，然后是交換式電容放大器。三件合一高度集成芯片 MPXY8300 為輪胎模塊的核心部件，從功能、性能上都滿足系統(tǒng)要求。輪胎模塊是由一塊鋰電池供電，鋰電池的電池容量通常為 750mAh 因 此需要綜合考慮效率與時間，以得到高效率的算法，才能保證系統(tǒng)長期有效地可靠運(yùn)行。通過對 TPMS方案設(shè)計(jì)分析，確定本文系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如下文所述。輪胎監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)的具體要求為：低功耗、介質(zhì)兼容性以及無線信號傳輸?shù)目煽啃?。中央監(jiān)視器接收到輪胎監(jiān)測模塊發(fā)射的信號后進(jìn)行分析，并將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，供駕駛者參考。以 Freescale(前 Motorola 半導(dǎo)體部 )的 MPXY8300 系列傳感器、微處理器、發(fā)射芯片三件集成一體芯片為核心，構(gòu)建輪胎模塊；與主機(jī)模塊搭建實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對輪胎狀態(tài)信息的測量、無線傳輸、狀態(tài)監(jiān)控和異常報(bào)警。 (3)減少燃油消耗，利于環(huán)保 實(shí)驗(yàn)顯示，輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)氣壓值 30%，油耗將上升 10%。 TPMS 的性能主要取決于輪胎監(jiān)測模塊的實(shí)現(xiàn)方式。中國國家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會 2021 年發(fā)布的《中國 TPMS 標(biāo)準(zhǔn)意見征求稿》 ,標(biāo)TPMS 成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配件是必然的趨勢。胎壓檢測系統(tǒng)主要用于汽車行駛過程中對汽車胎壓與溫度的實(shí)時檢測 ,當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時進(jìn)行報(bào)警 ,從而保障駕乘者的行車安全。針對該系統(tǒng)目前存在的技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)本文的系統(tǒng)方案，目的是實(shí)現(xiàn)一種可以實(shí)時監(jiān)測行駛車輛輪胎內(nèi)部氣壓、溫度的預(yù)警系統(tǒng)。 壓力溫度傳感器是一個集成了壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)字信號處理單元和電源管理的片上系統(tǒng)。安裝了 TPMS 系統(tǒng)，便能有效避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) (TPMS)是一種采用無線傳輸技術(shù)，利用固定于汽車輪胎內(nèi)的微型無線傳感裝置采集輪胎壓力和溫度的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到駕駛室內(nèi)的接收機(jī)中，以數(shù)字化的形式實(shí)時顯示輪胎壓力和溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在輪胎出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時進(jìn)行報(bào)警的汽車主動安全系統(tǒng)。但是它也存在一些弊端，比如，直接有源式 TPMS 的監(jiān)測模塊質(zhì)量較大，安裝在輪胎內(nèi)會打破原先的動平衡，而且成本比較高；在惡劣潮濕的環(huán)境下，電池會出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，使得系統(tǒng)使用年限縮短。所謂傳感器介質(zhì)兼容性，主要指的與不同種類的介質(zhì)，如水楊酸、污水、磷酸鈉等接觸時所表現(xiàn)出來的不受干擾性。 壓 力 溫 度 傳 感 器 放 大 電 路 微 處 理 器 射 頻 發(fā) 射 電 路 圖 主機(jī)模塊的硬件總體設(shè)計(jì) 主機(jī)模塊包括解調(diào)電路、接收數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警及人機(jī)接口四部分，如圖 所示。 (2) 初始化模式 接收主機(jī)給定的 ID碼和級別判定閥值。 (1)內(nèi)置 8位 HCS08 微控制器 (MCU)； (2)內(nèi)置 RF發(fā)射器器件 (RFX)； (3)壓力 /溫度傳感器件 (PCHIP)； (4)內(nèi)置 Z軸和 X 軸加速傳感器 (gCell)。以電壓方式存儲測量結(jié)果的采樣電容器，其電壓能保持到足夠完成一次 8 位 的 A/D 轉(zhuǎn)換。圖 是具體的輪胎模塊發(fā)射電路圖，給出了超高頻(UHF)發(fā)射的外圍電路和匹配網(wǎng)絡(luò)的具體連接 。對于 MC33594來說 ,一組報(bào)文包括報(bào)頭、 ID、頭字以及數(shù)據(jù)。頭字是整幀數(shù)據(jù)報(bào)頭的最后部分 ,它不會被解碼。 MC33594 接收到這 2 位后自動停止接收數(shù)據(jù)。天線在無線傳輸中起到傳輸紐帶的作用，天線性能的好壞直接影響到無線通信的效果。盡管 STC12C5416AD 也有內(nèi)部時鐘發(fā)生器，但其串行通訊接口 (SPI)要求非常精確的定時，所以，還是需要一個外部晶體振蕩器。 射頻接收單元采用 MC33594,它是一個 UHF 接收器。 PCF8574 將 PTBPTB3 口通過 2線制的 I2C 協(xié)議擴(kuò)展為 8個可并行操作的 I/O 口，擴(kuò)展后的每個 I/O 口都能直接驅(qū)動 LED。功能處理模塊包括：參數(shù)設(shè)定模塊、警報(bào)處理模塊、輪胎參數(shù)查詢模塊、 SPI 中斷處理模塊、定時中斷處理模塊五個模塊 [23]。接收模塊軟件設(shè)計(jì)中 ,重點(diǎn)考慮了數(shù)據(jù)接收可靠性問題 ,設(shè)計(jì)中采用了多種方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的可靠性 ,如發(fā)射器發(fā)射多次數(shù)據(jù)、采用累加和校驗(yàn)、采用特殊前導(dǎo)碼、采用曼徹斯特編碼方式等。但由于時間、資金等一些方而條件的制約 ,只進(jìn)行了理論研究 ,還沒有進(jìn)行任何動態(tài)的實(shí)驗(yàn) ,因此實(shí)際的實(shí)驗(yàn)效果和性能還有待于進(jìn)一步的考證。 美國、歐洲已先后立法 ,要求在今后幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)汽車全部安裝胎壓檢測系統(tǒng) ,因此 ,對胎壓檢測系統(tǒng)的需要量與日俱增 ,胎壓檢測系統(tǒng)的生產(chǎn)正在轉(zhuǎn)向中國。 工作總結(jié) 本文以胎壓檢測系統(tǒng)為研究對象 ,分析了輪胎壓力和溫度對汽車安全性能的重要意義 ,并介紹了無線胎壓檢測系統(tǒng) 的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 ,針對無線胎壓檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到輪胎的異常工作狀態(tài)時，通過 LED 報(bào)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(bào)警音，提醒駕駛員及時檢查輪胎故障原因，排除事故隱患。該顯示模塊的地址映射表如表 。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。 根據(jù)法向模螺旋天線的基本原理，并通過上述公式計(jì)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]。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)。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。 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。 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。 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）。控制單元上的控制位運(yùn)行 ACI給 gCell 供電，獲得電壓，然后由 ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在設(shè)計(jì)中盡量減少芯片外圍器件的數(shù)量，設(shè)計(jì)面積較小的輪胎模塊電路。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jī) 模 塊 主 程 序接收程序L C D顯示數(shù)據(jù)處理聲光報(bào)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。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。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。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(jì) 6 監(jiān)測模塊，本系 統(tǒng)設(shè)計(jì)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。 第三章：輪胎模塊硬件和軟件的設(shè)計(jì) 。TMPS 系統(tǒng)實(shí)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(bào)警，從而減少車胎的損毀，延長輪胎使 用壽命。中央控制模塊實(shí)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(bào)警，提醒駕駛員，防止事故發(fā)生。 國外因立法較早， TPMS(Tire Pressure Monitoring System)成為標(biāo)配，市場占有率高。 本課題主要研究的是一種用于 機(jī)動車輛上的輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 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。為了增強(qiáng)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。 本文研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 研究內(nèi)容 該系統(tǒng)實(shí)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(jìn)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。主要功能是在汽車行駛時實(shí)時的對輪胎氣壓和溫度進(jìn)行自動監(jiān)測，對輪胎快速漏氣、高低氣壓和高溫分級報(bào)警，從而達(dá)到預(yù)防爆胎、降低油耗的目的，以保障安全和經(jīng)濟(jì)行車。而基于 SAW 的直接無源式 TPMS 主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn) [8]，因此，無源式 TPMS 短期內(nèi)還難以流行。因?yàn)檩喬ツK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(jì) 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]。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。 (3) 睡眠模式 以最低的功耗運(yùn)行，響應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行要求。 MPXY8300 工作流程如圖 所示。 表 MPXY8300 的工作模式 S1 S2 工作模式 工作電流 串行數(shù)據(jù)計(jì)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(jì) 發(fā)射電路是實(shí)現(xiàn)輪胎模塊與主機(jī)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。 圖 輪胎模塊軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)分成兩個部分：發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)和接收模塊軟件設(shè)計(jì)。在使用前 ID 的值存儲在配置寄存器 CRZ 中。也就是說 MC33594 輸出的數(shù)據(jù)從設(shè)備 ID開始。 胎壓模塊軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是胎壓檢測系統(tǒng)研究工作的重要組成部分。 由于輪胎模塊要安 置在輪胎內(nèi)進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測，限制了天線尺寸，因此設(shè)計(jì)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。 STC12C5416AD 的工作電壓有 2 個， 3V 或 5V 均可，工作溫度范圍－ 40℃～＋ 125℃。處理芯片采用 STC12C5416AD 芯片 ,顯示單元采用 LED 燈 來顯示。 在系統(tǒng)的 5 個報(bào)警 LED 中， 1～ 4 號 LED 分別表示汽車左前、右前、左后和右后 4