【文章內(nèi)容簡介】 診斷用)、初始化模式、睡眠模式（休眠）和測量模式。下面對4個運行模式的功能進行介紹： (1) 調(diào)試模式主要執(zhí)行產(chǎn)品出廠的一些內(nèi)部測試和診斷功能。具體包括傳感器測試和射頻測試兩部分。 (2) 初始化模式接收主機給定的ID碼和級別判定閥值。 (3) 睡眠模式以最低的功耗運行，響應(yīng)系統(tǒng)的運行要求。 (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。3輪胎模塊設(shè)計 汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路按系統(tǒng)功能劃分，可分為輪胎模塊和主機模塊兩大部分。輪胎模塊整體安裝在輪胎內(nèi)，主要完成輪胎壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的初步處理以及信息的無線傳輸功能。主機模塊安置于汽車駕駛室內(nèi)，主要完成信息的無線接收、數(shù)據(jù)處理、聲光報警控制以及系統(tǒng)特征值設(shè)定等功能。系統(tǒng)硬件功能框圖如圖 所示。 在系統(tǒng)的工作運行中，輪胎模塊始終處于封閉環(huán)境中，駕駛室內(nèi)的系統(tǒng)主機必須依靠無線方式來完成數(shù)據(jù)信息的傳輸，才能將輪胎的狀態(tài)信息實時地提供給駕駛員。因此，輪胎模塊與主機模塊之間的無線通信是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，同時，這也是系統(tǒng)硬件設(shè)計工作的重點之一。 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。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。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。根據(jù)輪胎模塊實現(xiàn)的系統(tǒng)功能，可細(xì)分為核心微控制器、測量電路和發(fā)射電路3個部分。微控制器 MPXY8300為輪胎模塊的控制和數(shù)據(jù)處理核心單元，集成傳感器、微控制器、射頻發(fā)射模塊一起完成輪胎的壓力和溫度測量，數(shù)據(jù)處理及內(nèi)部自帶的射頻發(fā)射器與其匹配的外圍器件一起構(gòu)成發(fā)射電路。 圖 芯片介紹MPXY8300 是 Freescale 公司的20引腳集成芯片，它在一個芯片上集成了可變電容式壓力傳感單元、溫度傳感單元、加速度傳感單元和數(shù)字接口電路（具有喚醒特性），能夠同時對輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)進行測量和處理，并實現(xiàn)測量結(jié)果的數(shù)字化輸出，以無線射頻的方式發(fā)射出去，該芯片具有 ～ 的寬范圍工作電壓，工作溫度為－40℃～＋125℃，功耗低，能夠在封閉的輪胎內(nèi)部可靠工作[12]。該器件包含以下四個小器件，它對每個小器件都使用了最佳的處理技術(shù)。(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)。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)。PChip和 gCell均與MCU進行接口連接。 MPXY8300 工作流程為了實現(xiàn)低功耗及20引腳的超小外形封裝(SOIC)，MPXY8300還進行了優(yōu)化設(shè)計，特別是其內(nèi)部自帶射頻發(fā)射器，非常適合應(yīng)用于本系統(tǒng)的設(shè)計。MPXY8300的20管腳SOIC封裝管腳輸出如圖 所示 MPXY8300其主要特性如下[13]： (1)集成溫度壓力傳感器壓力傳感器，信號輸出給ADC； (2)集成315/434MHZ鎖相環(huán)射頻發(fā)送器；(3)內(nèi)置Z軸和X軸加速度傳感器，信號輸出給ADC；(4)8位MCU自帶512B的RAM16KB的FLASH；(5)過溫保護；(6)供電電源電量測量；(7)電池低功耗設(shè)計；(8)內(nèi)置LFO驅(qū)動的低功耗喚醒定時器和周期復(fù)位。 MPXY8300 傳感器工作模式 溫度通過ADC10通道1中內(nèi)置的△VB傳感器進行溫度測量，采用固件子例程可以獲得溫度測量值，固件子程序?qū)⒄_的位排序，獲得與溫度有關(guān)的電壓，然后將其轉(zhuǎn)換為規(guī)定的轉(zhuǎn)換函數(shù)。這個測量的輸出可以用作過溫關(guān)閉機制，在溫度非常高的情況下(可能對電池造成過度壓力)防止RF發(fā)射，節(jié)省電能。 電壓測量可以在內(nèi)部帶隙上進行，估算VDD上的電源電壓；內(nèi)部帶隙提供內(nèi)部帶隙電壓參考的目的是測量電源電壓，ADC轉(zhuǎn)換器采用通道直接進行電壓測量，因為帶隙參考總是在 ADC 轉(zhuǎn)換過程中加電，采用固件子例程可以獲得基于帶隙參考計算的VDD電壓測量值，這個子程序?qū)⒄_的位排序，獲得與電壓測量值，然后將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換函數(shù)。 加速度測量包含一個模擬接口(ACI)與加速度傳感單元連接?？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。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。這個放大器有可調(diào)的偏移和增益修正(由修正寄存器設(shè)置)。超精密壓力傳感器、CV 轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、緩沖和修正寄存器都在MCU上，gCell是單獨的硅器件，與 PChip，RFX 和 MCU分開安裝在同一個封裝中[14]。如表 ，傳感器的幾種工作模式是通過引腳 BKGD的輸入電壓來選擇的。測量結(jié)果模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是通過8級門限電平比較，采用連續(xù)逼近算法來實現(xiàn)的。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。表 MPXY8300的工作模式S1S2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00空閑/復(fù)位OFFOFFOFFON工作01壓力檢測OFFOFFOFFON復(fù)位10溫度檢測OFFONOFFON復(fù)位11數(shù)據(jù)輸出OFFOFFONON工作 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。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。MC33493內(nèi)部簡化圖如圖 MC33493是一種 PLL 調(diào)諧的低功耗 UHF 發(fā)射器。通過幾個數(shù)字輸入針腳，微控制器可以控制不同的運行模式，可由一塊鋰電池供電，內(nèi)部振蕩器VCO完全集成了相位頻率監(jiān)測器和環(huán)形濾波器，外接的晶體振蕩器為發(fā)射器的鎖相環(huán)提供參考頻率，通過VCO后得到數(shù)據(jù)發(fā)射所需的輸出頻率[15]，準(zhǔn)確的發(fā)射輸出頻率可由式(31)得出： （式31）其中為RF載波頻率，單位為MHz。為外部晶振頻率，單位為MHZ；AFREQ為AFREQ二進制加權(quán)值的十進制；AFREQ控制位通過RFX復(fù)位清零。MC33493 發(fā)射載波頻率根據(jù)理想載波頻率所需的外部晶振，CF 控制位選擇最佳VCO設(shè)置和為DX上提供給MCU的500kHz 參考時鐘提供正確的分頻。對任何載波頻率來說，所以所需外部晶振為 。CF控制位通過RFX復(fù)位清除。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。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）。圖 是射頻發(fā)射/接收電路基本結(jié)構(gòu)框圖。在射頻電路設(shè)計中，為實現(xiàn)最大功率傳輸，在源和負(fù)載之間以及各模塊之間插入一個無源網(wǎng)絡(luò)，通常這種無源網(wǎng)絡(luò)被稱為匹配網(wǎng)絡(luò)。實際的匹配網(wǎng)絡(luò)不僅僅可以減小功率損耗，它們還具有減小噪聲干擾、提高功率容量和提高頻率響應(yīng)的線性度等功能。天線是無線射頻通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。無線通信是靠空間的電磁波來傳遞信息，而電磁波的產(chǎn)生和接收都必須由天線來完成。 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。 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。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。軟件設(shè)計語言采用C語言。本節(jié)主要介紹了使用語言編程的優(yōu)點，描述了系統(tǒng)兩個模塊之間的通訊協(xié)議，并對發(fā)射模塊的工作流程進行了詳細(xì)的說明。發(fā)射模塊的軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)的采集、判斷、傳輸?shù)葞状蠊δ堋? C 語言是一種從匯編語言向高級語言過渡的語言，因此它既有某些匯編語言的影子，又有高級語言的特征。C 語言具有豐富的位操作運算符，允許直接訪問物理地址，能實現(xiàn)匯編語言的大部分功能。C 語言在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相差不大，但可讀性和可移植性卻遠遠超過匯編語言，而且 C 語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性的代碼編寫問題。因此本系統(tǒng)編程語言選用 C 語言。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。在本系統(tǒng)發(fā)射模塊和接收模塊之間進行無線通信時,數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)幀的格式傳輸。在無線數(shù)據(jù)傳輸中,數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的表示方式一般有兩種,一種是二進制字節(jié)方式,一種是十六進制的ASCII方式。二進制字節(jié)方式中,字節(jié)代表其本身,而十六進制ASCII方式則是由兩個字節(jié)表示一個實際數(shù)據(jù)字節(jié),因此其效率只有二進制字節(jié)方式的一半,但采用ASCII方式可以避免數(shù)據(jù)字節(jié)與標(biāo)志字節(jié)相混淆,因此可靠性比較高。在本系統(tǒng)中,采用的是十六進制ASCII方式[17]。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率為9600kPs,可由軟件選擇設(shè)定。對于MC33594來說,一組報文包括報頭、ID、頭字以及數(shù)據(jù)。在使用前ID的值存儲在配置寄存器CRZ中。ID字像數(shù)據(jù)一樣發(fā)送。報頭可以按需放在ID前,或者頭字前,或者數(shù)據(jù)前面。報頭的內(nèi)容要確定,否則它可能會被MC33594當(dāng)成ID或者頭字。在FSK調(diào)制下,報頭可以是4個“1”或者“0”曼徹斯特編碼。頭字是固定的4位曼徹斯特碼0110或者它的補碼。數(shù)據(jù)是以EOM(endofmessage)字結(jié)尾,它由2個不歸零碼組成。如果在解碼中,MC33594收到的是頭字的補碼,則它解碼后輸出的數(shù)據(jù)也是以原數(shù)據(jù)的補碼形式出現(xiàn)的。 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。為了方便起見,MC33594的報頭,ID以及頭字統(tǒng)一用報頭表示,這樣報頭將是4個字節(jié)16位。數(shù)據(jù)是按幀發(fā)送的, 幀數(shù)據(jù)報頭設(shè)備ID壓力溫度狀態(tài)校驗和結(jié)束字16位32位8位8位8位8位2位 報頭設(shè)置成0xFB86。由上面所述可知,MC33594的報頭占4位,可以設(shè)置“1111”。ID采用其默認(rèn)值“10111000”,該值存在CR2中,可以根據(jù)需要進行改變。頭字是固定的4位“0110”。頭字是整幀數(shù)據(jù)報頭的最后部分,它不會被解碼。也就是說MC33594輸出的數(shù)據(jù)從設(shè)備ID開始。設(shè)備ID是32位長。這個ID用于標(biāo)定產(chǎn)品信息。前16位保留用于以后擴展,現(xiàn)在先設(shè)置為0xFF。后16位分別標(biāo)定產(chǎn)品信息和輪胎編號。輪胎編號占兩位。數(shù)據(jù)幀被接收后,MCU將檢查這些ID,如果m與設(shè)定不符,數(shù)據(jù)會被丟棄。ID符合后,數(shù)據(jù)被保存用于以后處理(顯示或者輸出)。壓力代表了由傳感器測量的壓力數(shù)值,它是個8位的值。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。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]。校驗和是8位數(shù)據(jù),它的存在可