【導讀】畢業(yè)設計（論文）基于無線通信輪胎壓力_監(jiān)測系統(tǒng)設。本科學生畢業(yè)設計。駛的重要保障之一在汽車電子技術(shù)高速發(fā)展和對汽車安全性能要求更高的前提。下對TPMS系統(tǒng)的研究和設計具有廣泛的應用前景并能帶來良好的經(jīng)濟效益和社。會效益本設計深入分析了TPMS技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢并對比了間接式TPMS. 入輪胎中的溫度傳感器和壓力傳感器檢測輪胎的壓力溫度以及供電電池的電壓。室的監(jiān)視器上監(jiān)視器實時顯示各輪胎參數(shù)在出現(xiàn)異常時及時發(fā)出相關(guān)告警信息。設計針對直接有源式TPMS技術(shù)實現(xiàn)的主要難點問題包括系統(tǒng)預警的準確性。1對RF發(fā)射部分進行詳細設計包括發(fā)射天線的匹配網(wǎng)絡無線通信協(xié)議以。及RF發(fā)射管理機制等。2提出改進的基于多傳感器融合技術(shù)的預警算法有效提高系統(tǒng)預警的正確。性避免告警信號的漏報和誤報。3分析TPMS應用的電磁環(huán)境在電磁兼容性設計層面上闡述了系統(tǒng)的軟硬件。研究表明所設計的直接有源式TPMS系統(tǒng)有效地提高了檢測精度和預警的準。21系統(tǒng)設計要求8

　　

【正文】 度測量方式 S1 1S0 0 在溫度測量方式下器件內(nèi)的多路開關(guān)連接到 MPXY8020A 的采樣電容讀數(shù)方式與壓力測量方式基本相同 4 讀數(shù)據(jù)方式 S1 1S0 1 由于器件沒有直接數(shù)據(jù)輸出功能必須借助外接的 MCU 完成測 量數(shù)據(jù)輸出的任務在讀數(shù)據(jù)方式下 MCU 初始化 MPXY8020A 為測量壓力溫度工作方式之后利用SPI串行接口通過逐次逼近程序?qū)㈩A測值串行送入 MPXY8020A 的內(nèi)部 DAC同時檢測 MPXY8020A 的 OUT 引腳狀態(tài)得到逼近的 8bit 的壓力溫度值 S0 S1 DATACLK 四個引腳都內(nèi)置了施密特觸發(fā)器以提高芯片的抗干擾性并且這四個引腳都內(nèi)置了下拉電阻所以當它們被懸空時都為低電平 功耗問題一直是目前 TPMS 系統(tǒng)難以解決的問題由于本系統(tǒng)將輪胎從機模塊安裝在輪毅軸心上使得在模塊中安裝慣性發(fā)電裝置成為可能使系統(tǒng)的電能有 了源源不斷地補給從而可以從根本上解決電源問題當汽車高速運行時由慣性發(fā)電裝置給系統(tǒng)供電同時也要考慮到汽車緩慢運行或速度不穩(wěn)時的系統(tǒng)供電情況這時我們在里面加了一個可充電鋰電池當遇到發(fā)電不穩(wěn)的時候系統(tǒng)自動切換到電池供電在車輛正常行駛情況下慣性發(fā)電裝置會對鋰電池進行充電因此可確保鋰電池始終處于可工作狀態(tài) 36 從機電路整體設計 系統(tǒng)整體電路以 nRF9E5 為核心進行設計由于大部分功能模塊已集成到nRF9E5 內(nèi)部因此所需增加的外圍電路較少外圍電路主要包括傳感器模塊電源管理模塊 EPROM以及天線模塊傳感器模塊和 EEPROM通過 nRF9E5的 SPI接口進行通信當系統(tǒng)上電時 CPU自動執(zhí)行 ROM中的引導代碼用戶程序通常是在引導區(qū)的引導下從 EEROM加載到 1個 4KB的 RAM中進行執(zhí)行的通過不同的片選信號可以區(qū)分不同的 SPI 器件 EPROM25AA320 是由 EECSN 引腳片選傳感器芯片 MPXY8020A 的 S0S1引腳與 nRF9E5芯片的 P0Pl連接用于控制傳感器的工作模式 RST引腳與 P06連接用于每隔 52 分鐘給系統(tǒng)一次復位信號從而提高系統(tǒng)運行的可靠性 SPI 串行通信通過 CLKDATA 和 OUT 引腳實現(xiàn) CLK 與 SCK 連接 DATA 與 MOSI 連 接 OUT 與 MISO 連接 nRF9E5 有四個 AD 轉(zhuǎn)換模擬輸入端口其中 AIN0 用來檢測電池電壓狀態(tài) ADC 基準電壓輸入端電壓精度要求較高由電池端電壓經(jīng)過一個穩(wěn)壓二極管提供 nRF9E5的 ANTI和 ANTZ腳連接射頻天線這兩個腳通過天線雙極的中心點連接到直流電源 VDD_PA 引腳為了實現(xiàn)汽車移動即開機停止時進入待機狀態(tài)功能將慣性發(fā)電機產(chǎn)生的電信號引到 P02 引腳將該引腳編程為 GPIO 上升沿喚醒功能汽車移動時由慣性發(fā)電機提供上升沿信號喚醒系統(tǒng)當 P02 引腳檢測不到高電平時則認為汽車已經(jīng)停下來系統(tǒng)進入待機狀態(tài)為了得到精確的 內(nèi)部偏置電壓需接精度較高的電阻在引腳 IREF 和地之間接一阻值為 22K 誤差為 1 的電阻為了濾除電路板上電源的高頻干擾在電源和地之間增加去耦電容 35 本章小結(jié) 本章主要進行輪胎檢測模塊的硬件設計詳細的介紹了硬件系統(tǒng)的工作原理以及工作過程比較詳細的介紹了主機和從機電路的硬件實現(xiàn)從機主要包括無線通信模塊的設計傳感器模塊的設計然后給出了從機電路的整體設計原理圖主機內(nèi)容包括中央處理器的選擇和設計顯示報警電路設計給出中央處理器與各個模塊的互連原理圖并且在結(jié)尾給出了數(shù)據(jù)處理單元的完整的原理圖 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)軟件設計也分為 TPMS主機系統(tǒng)和 TPMS從機系統(tǒng)兩部分在軟件設計中還是分為兩個部分來介紹 41 TPMS 主機系統(tǒng)軟件設計 TPMS 主機系統(tǒng)軟件的設計也分為兩個部分測量發(fā)送模塊軟件設計和接收顯示模塊軟件設計除了通訊協(xié)議外這兩個部分的軟件設計沒有直接的聯(lián)系本設計主要設計的是接收顯示模塊的軟件的設計軟件的設計語言采用匯編語言主要進行主機模塊的軟件的設計包括顯示報警電路的軟件設計單片機的程序設計 報警電路程序設計 1 LED 報警子程序 根據(jù)上一章的設計 LED 報警系統(tǒng)的報警形式即是通過不同間隔的 閃爍來提醒駕駛者汽車輪胎的壓力和溫度在設計時由于為了不使駕駛者對過多的 LED 燈閃爍而產(chǎn)生分辨不清所以本設計就采用了兩個 LED 燈一個用于壓力的報警一個用于溫度的報警通過 LED 的閃爍的不同間隔來顯示是所報警的值是高于最高值還是低于最低值 本設計采用兩個 LED報警燈分別與單片機的 RB6和 RB7口相連在設計程序時通過對 LED燈閃爍的間隔時間不同來達到提醒駕駛者不同的危險信號與 RB6相連的 LED等稱為 LED1用于對壓力的報警與 RB7相連的 LED燈稱為 LED2用于對溫度進行報警 1LED1 程序的流程圖 LED1 分為常亮 閃爍 1s 循環(huán)閃爍 3s 循環(huán)程序都是子程序在單片機確定需要報警時直接調(diào)用這些子程序即可實現(xiàn)報警 LED1 常亮表示表示已長時間未收到來自輪胎模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)懷疑是輪胎模塊出現(xiàn)故障其流程圖如圖 41 所示 LED1 閃爍間隔 1s 表示輪胎的壓力值低于低壓值其程序流程圖如圖 42 所示 LED1 閃爍間隔 3s 表示輪胎的壓力值高于高壓值其程序流程圖如圖 43 所示 圖 41 常亮程序流程圖 圖 42 1s 循環(huán)程序流程圖 圖 43 3s 循環(huán)子程序 喇叭報警程序設計 本設計的喇叭報警是通過喇叭的響的時 間長度來提醒駕駛者不同的危險其響的時間間隔與 LED 報警燈的閃爍時間間隔是相對應的喇叭的作用是配合 LED燈的報警在聲音上提醒駕駛者這看樣在車輛行駛的過程中駕駛者可以在沒看到LED燈報警和 LCD顯示值就能過初步的判斷可能是由于什么原因而報警的喇叭與單片機的 RB5口相連在程序設計時只需改變 RB5輸出的高電平設置即可實現(xiàn)所要求的功能 喇叭長響表示已長時間未收到來自輪胎模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)懷疑是輪胎模塊出了故障包括壓力和溫度的數(shù)據(jù) 喇叭間隔 1s 響表示輪胎的壓力或溫度值低于低壓值或低溫值 喇叭間隔 3s 響表示輪胎的壓力或溫度值 高于高壓值或高溫值 LCD 顯示程序的設計 LCD是通過對輪胎壓力溫度的值進行實時的顯示使駕駛者對喇叭和 LED的報警進行進一步的判斷從而對報警的原因做出準確的判斷 LCD 的八個數(shù)據(jù)口分別與 RD0RD7 相連 E 端口與 RC2 相連 RS 端口與 RC4 相連 LCD 接口信號說明如表 1 所示表 41 LCD 接口信號說明 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 Data IO 2 VDD 電源正極 10 D3 Data IO 3 VL 液晶顯示偏壓信號 11 D4 Data IO 4 RS 數(shù)據(jù)命令選擇端 12 D5 Data IO 5 RW 讀寫選擇端 13 D6 Data IO 6 E 使能信號 14 D7 Data IO 7 D0 Data IO 15 BLA 背光源正極 8 D1 Data IO 16 BLK 背光源負極 LCD 顯示程序的設計包括主程序的設計 LCD 模塊初始化子程序設計寫指令子程序設計和寫數(shù)據(jù)子程序設計 1LCD 模塊初始化子程序 在進行 LCD 顯示時首先要進行模塊的初始化這樣可以使上一次操作不會影響到下一次的操作 LCD 模塊初始化子程序的流程圖如圖 44 所 示 2 寫指令子程序 寫指令子程序的流程圖如圖 45 所示 3 寫數(shù)據(jù)子程序 寫數(shù)據(jù)子程序的流程圖如圖 46 所示 4LCD 主程序 寫數(shù)據(jù)子程序的流程圖如圖 47 所示 圖 44 初始化流程圖 圖 45 寫指令子程序流程圖 圖 46 寫數(shù)據(jù)子程序流程圖 圖 47 LCD 主程序流程圖 單片機程序設計 單片機 PIC16F877 的程序是主程序通過單片機的程序控制實現(xiàn)各種功能的實現(xiàn)這樣可以使不同的功能組合在一起 單片機先接受轉(zhuǎn)速傳感器的信號對轉(zhuǎn) 速傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)與事先設定好的值進行比較如果所得到的值大于設定好的轉(zhuǎn)速值單片機將給從機發(fā)送請求數(shù)據(jù)的申請從機才開始工作這樣可以節(jié)省能耗使從機的壽命更加長從機工作后將所檢測到的溫度壓力的值發(fā)送給主機主機對所接收到的數(shù)據(jù)與所設定的標準值進行比較如果在正常的范圍內(nèi)則只給 LCD 信號進行顯示如果不在正常的范圍內(nèi)則驅(qū)動報警電路進行聲音和光的報警提醒駕駛者單片機的引腳和電路圖已在前面的章節(jié)中進行了設計所以在編程的時候就應對應與電路圖設定各個引腳應實現(xiàn)的功能單片機的主要的功能程序流程圖如圖 48 所示 圖 48 單片機主要 功能流程圖 42 TPMS 從機系統(tǒng)軟件設計 輸協(xié)議 在輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信由無線傳輸來實現(xiàn)要實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸必須定義主機和從機之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以便在發(fā)送方和接收方之間達成一致不同的系統(tǒng)需要根據(jù)應用情況和硬件設備來設定數(shù)據(jù)幀的長短數(shù)據(jù)位的定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾实鹊缺鞠到y(tǒng)選用的射頻芯片由發(fā)送方和接收方定傳輸協(xié)議采用GFSK 調(diào)制方式的曼徹斯特編碼載波頻率為 43MHz 數(shù)據(jù)發(fā)送速率為 100Kbps 曼徹斯特編碼以數(shù)字信號來描述就是在每個比特周期取值在周期中間點進行高低電平間的轉(zhuǎn)換一個數(shù)字 0 被描述為周期 前一半為低電平后一半是高電平而數(shù)字 1 則是先高后低 通過 GFSK 調(diào)制后的有效傳輸帶寬比 FSK 調(diào)制后的帶寬更寬數(shù)據(jù)在內(nèi)部進行曼徹斯特編碼 TX 和曼徹斯特解碼 RX 系統(tǒng)在每包數(shù)據(jù)包發(fā)射之前都會自動加前導碼此前導碼是以位為順序編排的 nRF9E5 前導碼是 10 位的輪胎 ID 是用來確定發(fā)送數(shù)據(jù)幀的輪胎位置的為使TPMS系統(tǒng)能唯一確定每個輪胎使用 32位的位長給每個輪胎確定編碼電壓數(shù)據(jù)主要是關(guān)于輪胎模塊工作電壓及電池狀態(tài)的信息 CRC 校驗碼采用 16 位 nRF9E5 的CRC 校驗碼是由硬件系統(tǒng)自動加上去的 從機模塊的壓力 傳感器和溫度傳感器在長時間運行后檢測的數(shù)值可能出現(xiàn)偏差為此需要給從機模塊設定一個校準系數(shù)每過一段時間可用精準的測量儀測量輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)再和 TPMS 系統(tǒng)測出的數(shù)值進行比較得出一個校準系數(shù)通過主機的鍵盤設置將該校準系數(shù)設置到從機模塊 命令字有兩個一個是讀取壓力溫度數(shù)據(jù)命令字為 OXFF 另一個是設置校準系數(shù)命令字為 XOFDnRF9E5 接收到一個正確的數(shù)據(jù)包后便解析命令字根據(jù)命令字的類型選擇不同的操作當命令為讀取數(shù)據(jù)命令時命令字后面兩個字節(jié)為空表示要求從機模塊向主機發(fā)送數(shù)據(jù)從機模塊便把經(jīng)過濾波處理的壓力溫度和 電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給主機當命令字為設置校準系數(shù)命令時命令字后面分別為壓力校準系數(shù)和溫度校準系數(shù)從機模塊據(jù)此修改內(nèi)部的校準系數(shù) RF 通信軟件設計 1 nRF9E5 的工作模式 nRF9E5 內(nèi)部集成了 nRF905 射頻收發(fā)芯片 nRF905 有兩種活動 RXTX 模式和一種節(jié)電模式活動模式為 ShockBurts Rx 和 ShockBurts Tx 節(jié)電模式為 Standby和 SPI 編程 nRF9E5 工作模式由 TRX_CE 和 TX_NE 的設置來確定 nRF905 的不同操作必須服從嚴格遵守其時序關(guān)系不同模式之間可以相互轉(zhuǎn)換 2 nRF9E5 shockburst 模式 nRF905采用 Nordic公司的 VLSIShockBurst技術(shù) ShockBurst技術(shù)使 nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而不需要昂貴的高速 MCU 來進行數(shù)據(jù)處理時鐘覆蓋通過將與 RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi) nRF905提供給應用的微控制器一個 SPI 接口速率由微控制器自己設定的接口速度決定 nRF905 通過 ShockBurst工作模式在 RF 以最大速率進行連接時降低數(shù)字應用部分的速度降低在應用中的平均電流消耗在 ShockBurst RX模式中地址匹配 AM 和數(shù)據(jù)準備就緒 DR 信號通知 MCU 一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成在 ShockBurst TX 模式中nRF905自動產(chǎn)生前導碼和 CRC校驗碼數(shù)據(jù)準備就緒 DR 信號通知 MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成總之這意味著降低 MCU的存儲器需求也就是說降低 MCU成本又同時縮短軟件開發(fā)時間 3 ShockBurst TX 模式 發(fā)送流程如 49 所示 1 當微控器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時將接收機的地址和有效數(shù)據(jù)通過 SPI 接口傳送給 nRF905 傳輸速率在通信協(xié)議和器件配制時確定 2 MUC 設置 TRX_CETX_EN 為高來激活 nRF905ShockBurst 傳輸 3 nRF9E5 ShockBurst 發(fā)送無線系統(tǒng)自動上電數(shù)據(jù)打包 加前導碼和 CRC校驗碼 數(shù)據(jù)包發(fā)送 GFSK 曼切斯特編碼 傳送完成后數(shù)據(jù)準備好信號被置高電平 4 如果 AUTO_RETRAN 被置為 nRF905 將連續(xù)的發(fā)送數(shù)據(jù)包直到 TRX_CE 被設置為低 5 當 TRX_CE 被設置為低 nRF905 結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸進入待