基于嵌入式微处理器的轮胎压力监控系统的设计

1  引言

　　随着汽车消费市场的日益升温， 汽车的安全性能更加被消费者所关注。在汽车的高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美国这一比例高达80％。基于此，美国运输部(dot)国家公路交通安全管理委员会(nhtsa)出台法规。该法规规定：2003年l1月到2006年l0月31日期间美国新出厂的轻型汽车将逐步引入轮胎压力监测系统(tyre　pressure monitoring system)[2]。鉴于如此大的市场潜力，国内外许多公司纷纷开始研制。本文提出基于motorola公司的mpxy8040温度和压力传感器、mc68hc908rf2嵌入式一体化微处理器和射频发射器、mc33594接收器和mc68h908kx8微处理器构成的轮胎压力监控系统。其中mpxy8040和mc68hc908rf2及其外围电路构成测量和发送子系统，mc33594和mc6-8h908kx8及其外围电路构成接收、处理和显示主系统。
          
2  tpms系统构成[2]
                  
　　轮胎压力监测系统分为直接系统和间接系统。间接系统即通过车速传感器来确定轮胎压力变化，利用abs轮速传感器来间接测量胎压，成本低，但精度差，无法在任何时间工作。直接式压力测量法利用车轮内的压力传感器和无线发送器，发射信号到射频接收器，来直接测量温度和压力，精度可靠，成本较高。
                  
　　直接测量系统需要在每个轮胎上安装1个远程感应模块来采集数据，在车内安装1个接收模块来接收和处理数据，并为司机提供适当的显示即可。
          
3  硬件设计和实现
          
　　系统电路原理图如图1和图2所示。

图1  轮胎子系统电路原理图

 图2  仪表盘主系统电路原理图

　　3.1 轮胎子系统(子机)硬件设计
                  
　　(1) 气压和温度传感器和信号调理电路。采用motorola公司的mpxy80-40a[4]传感器测量轮胎压力和温度，mpxy8040a压力温度传感器芯片是motorola公司为测量汽车轮胎压力和温度而设计的高集成芯片。该芯片内嵌一个容性绝对压力传感器和一个温度传感器，包括压力变换器、正温度系数扩散电阻温度传感器和所有必须电路，用以产生一个校准的8bit温度和压力数字输出，能够测量0kpa～637.5kpa的轮胎压力和一40℃～125℃范围内的轮胎温度，适用于气体媒介和一般的胎内环境。每个芯片有标识id，用于识别是哪一个轮胎。
                  
　　mpxy8040a压力传感器的典型电气参数为：3v工作电压，低功耗，待机电流600na，压力采样电流15ma，温度采样电流500μa。它有4种工作模式：待机/复位、压力检测、温度检测、数据输出；4种工作模式灵活运用以满足系统节电的要求。内置的低频振荡器，可用于唤醒mcu。
          
　　(2) 微控制器和发射电路。采用motorola公司mc68hc908rf2[5]芯片，该芯片是高性能、低功耗，32引脚、lqfp表面贴装器件，供电电压1.8v-3.6v，适合于-40度到+125度的环境温度，待机电流0.1na，fsk的传输电流11.6ma，ask的传输电流8ma。该芯片封装了2个模块；第1个是2kb快闪hc08 mcu，第2个是射频发射模块，能在自由空间能够传输数字数据信号达到了几百米左右。
          
　　mc68hc908rf2芯片，具有hc08内核、2kflash用户存储器、256字节专用flash数据存储器，128字节ram、17位寻址、16位索引寄存器和堆栈指针、8个通用i/o口、6个具有键盘中断功能的输入、2个led输出；另外它还集成了射频发射模块，低功耗的pll锁相环射频发射器，可以完成数字信号的调制和发送、支持315/434和868/915mhz的fsk和ask调制方式，具有控制发送和输出功率的功能，输出功率可调(达到5dbm),数据传输率最大11kbps、集成pll锁相环和vco压频振荡器，采用pcb印制天线，发射器无须调整，外部元器件少，工作稳定可靠。
                  
　　(3) 供电电源:采用3v纽扣式锂电池供电。
          
　　3.2 控制和显示部分(主机)的硬件设计
                  
　　(1) 主机的接收电路：主机的接收和解码电路采用motorola公司的mc33594[3]芯片，mc33594与motorola公司mc68hc908rf2芯片的发射电路兼容，mc33594芯片能够接收和解调manchester编码数据，通过通用的spi总线向嵌入式微处理器mc68h908kx8输出数据。调制方式：ask和fsk；工作频率：315/433mhz 或者866/915mhz；低电流消耗，run模式下的工作电流4.3ma、stop模式下的工作电流10ma；内部和外部选通；1ms的唤醒时间；数据传输速度最高可达11kbps；带有字节或音调探测的数据管理器(dm)；带有manchester编码信号的时钟恢复；可完全由spi接口配置；较少的外部元件。
                  
　　(2) 主机的微控制器：采用motoro-la公司的mc68h908kx8[6]芯片；该芯片同mc68hc908rf2芯片相比较，只是少了uhf发射芯片。其它性能指标相同。
          
4  通讯协议和数据格式[1][5]
                  
　　系统数据采用manchester编码、fsk调制的方式通讯。数据的发送速率是9600bps, manchester编码利用高电频变到低电频表示0，低电频变到高电频表示1；fsk调制时利用两个不同的频率来表示数字的高、低信号，本系统中用较低的频率表示1、较高的频率表示0；接收器mc33594芯片的数据管理器已经设置成这样的调制和解调方式。当轮胎模块设置成发送数据时，它先唤醒接收器，然后发送数据帧，最后到睡眠状态。一个完整的数据帧由以下几部分构成：(1)前导同部位(preamble)，共16bit,通常设置成16进制的fb86，前4位(1111)用于唤醒接收器并将建立内部电路；接下来的8bit(b8)用于配置寄存器cr2中的配置值，目的是用来启动数据管理器，剩余的4bit(0110)用来激活mc33594使其工作，表明有效数据的开始；(2)缩紧随前导位(prea-mble)的有效数据是器件的id号，共32bit，用来区分不同的发射器，(3)压力和温度信号，各占8bit；(4)状态信号，占8bit；(5)8bit的校验和2bit的停止位，校验位可以帮助减少由其它因素引起的干扰，保证数据的完整和正确，两个停止位通知接受器传送数据完毕；整个完整的数据帧共包含了82个数据位。

5  系统的软件设计
          
　　5.1 信号检测处理和发射程序的设计
                  
　　模块每3秒被唤醒，测量温度和压力参数，将最大值和最小值存入ram中，如果没有变化，增加计数器的计数值，返回休眠模式；经过10个计数，约30秒后，将数据传至接受器模块，如果有较大的变化，则进入快速发送模式，连续发送255次。具体的流程图如图3所示。

  图3  轮胎微处理器的工作流程图

　　5.2 轮胎信号数据发送流程
                  
　　首先测量电池的电压，电压正常则进入工作模式，测量数据，发送数据，数据发送完成，进入休眠状态。具体的流程图如图4所示。

图4  轮胎压力、温度数据测量和发送流程图

　　5.3 仪表盘接收系统程序流程
                  
　　上电复位后，初始化mc68h908-kx8、配置mc33594，并且自检主机系统，自检通过则led闪烁，否则点亮相关的led，之后等待spi的数据帧，收到后，进行数据校验，正确则判断是否是轮胎传感器的id，是则进行相关的显示，否则忽略。具体流程图如图5所示。

图5  汽车仪表盘主机接收和处理系统的程序流程图 

6  结束语
                  
　　基于motorola公司的嵌入式微处理器的轮胎压力监测系统集成度较高，稳定性好，能够同时监测轮胎气压、温度及监测模块供电电压三个关键参数。当轮胎漏气、温度升高等异常情况时，系统都会自动报警，从而确保行车安全，延长轮胎的使用寿命，降低燃油的消耗。硬件结构采用低功耗器件，软件设计采用合适的采样周期和工作模式来满足低功耗和安全两个方面的要求。此外，主机显示模块还可以通过扩展液晶显示、语音报警及提供与汽车控制系统接口等，来适应不同用户需要。随者人们对汽车主动安全性的的要求的提高，及tpms对防止重大交通安全事故发生的积极作用，市场对高性能tpms的需求量将会进一步增加。因此，汽车轮胎胎压监测系统具有广阔的的发展空间和非常好的市场前景。