射频收发芯片nRF401在汽车胎压监视系统中的应用

0 引言

在汽车高速行驶过程中，轮胎故障是突发性交通事故发生的重要原因。据统计在高速公路上发生的交通事故中约有70％是由爆胎引起的。而保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，因此对汽车轮胎压力、温度等参数的监视是安全驾驶的重要保障。开发和研究汽车轮胎压力监视系统TPMS（Tire Pressure Monitoring System）是确保行车安全的有效技术措施，也是当前值得研究的重要课题。TPMS是目前最流行的汽车胎压监视系统，它在汽车行驶状态下可以实时、动态的对轮胎气压和温度进行自动监测，对轮胎气压过低、过高、漏气和温度过高等异常现象进行自动报警，以减少事故的发生率，确保行车安全。从系统构造而言，压力、温度等信息可以通过无线装置进行发送接收。

本文详细介绍了基于蓝牙芯片nRF401的汽车胎压监视系统的硬件和软件设计，设计中采用SPCE061A为上位机控制器实现对汽车轮胎的压力和温度信号的管理和输出，配有菜单式操作的液晶显示系统与语音报警系统来实时准确的显示检测结果。该系统能准确的对轮胎内的温度、压力进行采集，并能在出现危险状况时及时报警。

1 硬件设计

胎压监视系统主要包括两部分：一部分安装在汽车轮胎内，由压力温度传感器、信号处理单元、RF发射器组成轮胎发射模块，轮胎发射模块的构成如图1(a)所示，它的主要功能是通过处理加速度传感器的信号实现自动唤醒功能，对轮胎的温度与压力信号进行采集和处理并通过发射模块将信号传出；另外一部分为安装在汽车驾驶室内的中央监视器，包括RF接收器、数字信号处理单元和报警显示电路，中央监视器主要完成的功能：实现对来自汽车轮胎的压力和温度信号的管理和输出，并利用液晶配合语音报警系统及时根据用户需求给出当时的状态，且不耽误司机开车，同时检测车内温度并显示。系统图如图1(b)所示。

系统采用挪威Nordic公司推出的一体化无线收发芯片nRF401，工作在433MHz 国际通用的 ISM频段，双工作频段可以自由切换，FSK调制解调，采用直接数字合成 DSS + 锁相环稳频 PLL 进行频率合成，频率稳定性好，抗干扰能力强，接收灵敏度高达-105dBm，最大发射功率为+10dBm，功耗低，接收待机状态时，电流仅为8μA，数据传输速率可达20kbit/s。nRF401采用常用的4 MHz 晶振作为PLL频率基准源，而无需昂贵的变容二极管；此外它的解调器是DC平衡的，输入数据可以使各种011序列，无需进行曼切斯特编码，微控制器的UART直接与nRF401的DIN、DOUT端连接，经过MAX232电平转换后可直接与计算机的串口连；nRF401另一个非常重要的特点是接收机的频带阻抗很高，这意味着不需要外部声面波滤波器，无需调试部件。

总体的硬件结构设计如图2、3所示。由于采用了专用的传感器，可以设计相对简单的硬件电路。电源由锂电池提供。在TPMS中由于从机无法将随时检测的压力通过线缆传到上位机中，故应该采用无线传输。又因为汽车轮胎工作环境比较恶劣，一般的无线传输模块不能实现其功能，实践证明无线收发芯片nRF401通信系统在环境比较恶劣的工业现场工作可靠稳定。

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在硬件电路设计中我们充分考虑到系统所接收到的数据存在的干扰问题，对相关部分的设计都采取了一定的抗干扰方案。比如在发射模块的PCB版图的设计中充分考虑了高频干扰，采用的凌阳61板作为上位机的控制器则是利用了它本身具有滤波和消除干扰的优势。电源直接从车内12V电源通过电压转换电路转化后得到。

系统的无线通信部分结构上采用的是主从结构，下位机由安装在被测汽车中的监测控制器组成，主站是设在控制中心的监控计算机；不同的下位机通过无线通信电路将检测到的数据发往监控计算机。同一时刻只能有1台下位机工作，这里的通信实际上是共享介质的，为避免多个下位机争用信道而发生冲突，只有主站向某个下位机发送允许通信信号，下位机才发送数据。通信模块由nRF401和很少的外围器件组成，采用PCB天线，nRF401的数据收发端直接与MCU的串行口相连，MCU用3个I / O口控制nRF401的状态，选用3V供电的低电压MCU与nRF401共用同一个电源和同一个4MHz晶振。

2 软件设计

无线通信系统中，由于供电、空间噪声及传输路径等因素的影响，直接发送数据的话很容易受到干扰，因而需要设计一种传输协议，保证在这种不可靠的物理链路上建立起可靠的数据连接，系统的无线通讯协议主要工作在OSI参考模型的数据链路层，通过该协议进行必要的检错编码。差错控制保证数据传输的正确可靠。

下位机（以四个为例）均为实时采集数据，而系统只有一个nRF401芯片在接收，而且采用的是在同一频率下无线传输数据的工作模式，所以四个下位机不能同时发送压力数据，需采用应答对话方式解决这种冲突，即每个下位机被分配一个口令，可以认为是分配的地址，所有下位机平时处于接受数据的状态，等待上位机的请求。当上位机发送带地址的数据请求时，下位机根据接收到的地址判断是否做出应答；上位机按顺序发送各个下位机的地址后立即改为接收状态，延迟5秒钟后没有接收到数据则转变为发送状态，并报错显示哪个下位机出了问题，继续向下一个下位机发送请求；下位机接收并判断地址数据，如果是自己的地址，即口令正确，立即变为发送状态，发送采集到的最新数据，发送后再变回接收状态，等待上位机发回数据，以确认发送无误（因为环境因素可能导致传输错误）；上位机接受到数据后保存，之后变为发送状态，向这个下位机发送回刚刚接受的数据，之后再接收等待，等待这个下位机的确认信号；下位机接收到传回的数据，跟刚才发送的数据比较，如果一致，发送确认信号，如果不一致，继续发送，并重复上两步操作；上位机接受的如果是确认信号，那么把保存的数据送至处理程序，如果不是则重复发送地址请求。

下位机上电复位以后便开始执行以上的初始化程序，并进入流程图中的循环，压力和温度采集是在定时中断里完成的，中断时间暂定每5秒钟采集一次。为了提高系统实时性和抗干扰能力，当下位机采集的电压或温度数据超过指定的范围之后，下位机立即变成发送状态，发出特殊的报警信号，而此时的上位机不管处于何种工作状态一旦接收到报警信号，立即中断当前通信，与这个下位机建立通信。
为提高系统的抗干扰能力，在软件设计中系统还加入了软件滤波环节，在连续缓冲区存储最近5次的采集数据，并求出它们的平均值，然后作为当时的气压显示出来。这样就消除了由于某些数据的不准确而出现的尖峰值，致使系统做出误判断。

3 结束语

本文从硬件和软件两方面介绍了汽车胎压监视系统中无线通信数据采集系统的设计，电路结构简单、抗干扰性强；该系统能及时准确的对轮胎内的温度、压力进行采集，并能在出现危险状况时报警。系统需在节能、稳定性和安装等方面有待提高。
本文作者的创新点：在汽车胎压监视系统的软件和硬件设计过程中运用多种抗干扰方法，大大提高了系统的抗干扰能力。