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在汽車高速行駛過程中，輪胎故障是突發性交通事故發生的重要原因。據統計在高速公路上發生的交通事故中約有70％是由爆胎引起的。而保持標準的車胎氣壓行駛和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵，因此對汽車輪胎壓力、溫度等參數的監視是安全駕駛的重要保障。開發和研究汽車輪胎壓力監視系統 TPMS（Tire Pressure Monitoring System）是確保行車安全的有效技術措施，也是當前值得研究的重要課題。TPMS是目前最流行的汽車胎壓監視系統，它在汽車行駛狀態下可以實時、動態的對輪胎氣壓和溫度進行自動監測，對輪胎氣壓過低、過高、漏氣和溫度過高等異常現象進行自動報警，以減少事故的發生率，確保行車安全。從系統構造而言，壓力、溫度等信息可以通過無線裝置進行發送接收。 本文詳細介紹了基于藍牙芯片nRF401的汽車胎壓監視系統的硬件和軟件設計，設計中采用SPCE061A為上位機控制器實現對汽車輪胎的壓力和溫度信號的管理和輸出，配有菜單式操作的液晶顯示系統與語音報警系統來實時準確的顯示檢測結果。該系統能準確的對輪胎內的溫度、壓力進行采集，并能在出現危險狀況時及時報警。 1 硬件設計 胎壓監視系統主要包括兩部分：一部分安裝在汽車輪胎內，由壓力溫度傳感器、信號處理單元、RF發射器組成輪胎發射模塊，輪胎發射模塊的構成如圖 1(a)所示，它的主要功能是通過處理加速度傳感器的信號實現自動喚醒功能，對輪胎的溫度與壓力信號進行采集和處理并通過發射模塊將信號傳出；另外一部分為安裝在汽車駕駛室內的中央監視器，包括RF接收器、數字信號處理單元和報警顯示電路，中央監視器主要完成的功能：實現對來自汽車輪胎的壓力和溫度信號的管理和輸出，并利用液晶配合語音報警系統及時根據用戶需求給出當時的狀態，且不耽誤司機開車，同時檢測車內溫度并顯示。系統圖如圖1(b)所示。 圖1 TPMS系統組成框圖 系統采用挪威Nordic公司推出的一體化無線收發芯片nRF401，工作在433MHz 國際通用的 ISM頻段，雙工作頻段可以自由切換，FSK調制解調，采用直接數字合成 DSS + 鎖相環穩頻 PLL 進行頻率合成，頻率穩定性好，抗干擾能力強，接收靈敏度高達-105dBm，最大發射功率為+10dBm，功耗低，接收待機狀態時，電流僅為8μA，數據傳輸速率可達20kbit/s。nRF401采用常用的4 MHz 晶振作為PLL頻率基準源，而無需昂貴的變容二極管；此外它的解調器是DC平衡的，輸入數據可以使各種011序列，無需進行曼切斯特編碼，微控制器的 UART直接與nRF401的DIN、DOUT端連接，經過MAX232電平轉換后可直接與計算機的串口連；nRF401另一個非常重要的特點是接收機的頻帶阻抗很高，這意味著不需要外部聲面波濾波器，無需調試部件。 總體的硬件結構設計如圖2、3所示。由于采用了專用的傳感器，可以設計相對簡單的硬件電路。電源由鋰電池提供。在TPMS中由于從機無法將隨時檢測的壓力通過線纜傳到上位機中，故應該采用無線傳輸。又因為汽車輪胎工作環境比較惡劣，一般的無線傳輸模塊不能實現其功能，實踐證明無線收發芯片 nRF401通信系統在環境比較惡劣的工業現場工作可靠穩定。 圖2 中央監視器發射模塊硬件原理圖 圖3 輪胎檢測模塊硬件原理圖 在硬件電路設計中我們充分考慮到系統所接收到的數據存在的干擾問題，對相關部分的設計都采取了一定的抗干擾方案。比如在發射模塊的PCB版圖的設計中充分考慮了高頻干擾，采用的凌陽61板作為上位機的控制器則是利用了它本身具有濾波和消除干擾的優勢。電源直接從車內12V電源通過電壓轉換電路轉化后得到。 系統的無線通信部分結構上采用的是主從結構，下位機由安裝在被測汽車中的監測控制器組成，主站是設在控制中心的監控計算機；不同的下位機通過無線通信電路將檢測到的數據發往監控計算機。同一時刻只能有1臺下位機工作，這里的通信實際上是共享介質的，為避免多個下位機爭用信道而發生沖突，只有主站向某個下位機發送允許通信信號，下位機才發送數據。通信模塊由nRF401和很少的外圍器件組成，采用PCB天線，nRF401的數據收發端直接與MCU的串行口相連，MCU用3個I / O口控制nRF401的狀態，選用3V供電的低電壓MCU與nRF401共用同一個電源和同一個4MHz晶振。 2 軟件設計 無線通信系統中，由于供電、空間噪聲及傳輸路徑等因素的影響，直接發送數據的話很容易受到干擾，因而需要設計一種傳輸協議，保證在這種不可靠的物理鏈路上建立起可靠的數據連接，系統的無線通訊協議主要工作在OSI參考模型的數據鏈路層，通過該協議進行必要的檢錯編碼。差錯控制保證數據傳輸的正確可靠。 下位機（以四個為例）均為實時采集數據，而系統只有一個nRF401芯片在接收，而且采用的是在同一頻率下無線傳輸數據的工作模式，所以四個下位機不能同時發送壓力數據，需采用應答對話方式解決這種沖突，即每個下位機被分配一個口令，可以認為是分配的地址，所有下位機平時處于接受數據的狀態，等待上位機的請求。當上位機發送帶地址的數據請求時，下位機根據接收到的地址判斷是否做出應答；上位機按順序發送各個下位機的地址后立即改為接收狀態，延遲5秒鐘后沒有接收到數據則轉變為發送狀態，并報錯顯示哪個下位機出了問題，繼續向下一個下位機發送請求；下位機接收并判斷地址數據，如果是自己的地址，即口令正確，立即變為發送狀態，發送采集到的最新數據，發送后再變回接收狀態，等待上位機發回數據，以確認發送無誤（因為環境因素可能導致傳輸錯誤）；上位機接受到數據后保存，之后變為發送狀態，向這個下位機發送回剛剛接受的數據，之后再接收等待，等待這個下位機的確認信號；下位機接收到傳回的數據，跟剛才發送的數據比較，如果一致，發送確認信號，如果不一致，繼續發送，并重復上兩步操作；上位機接受的如果是確認信號，那么把保存的數據送至處理程序，如果不是則重復發送地址請求。 下位機上電復位以后便開始執行以上的初始化程序，并進入流程圖中的循環，壓力和溫度采集是在定時中斷里完成的，中斷時間暫定每5秒鐘采集一次。為了提高系統實時性和抗干擾能力，當下位機采集的電壓或溫度數據超過指定的范圍之后，下位機立即變成發送狀態，發出特殊的報警信號，而此時的上位機不管處于何種工作狀態一旦接收到報警信號，立即中斷當前通信，與這個下位機建立通信。 為提高系統的抗干擾能力，在軟件設計中系統還加入了軟件濾波環節，在連續緩沖區存儲最近5次的采集數據，并求出它們的平均值，然后作為當時的氣壓顯示出來。這樣就消除了由于某些數據的不準確而出現的尖峰值，致使系統做出誤判斷。 3 結束語 本文從硬件和軟件兩方面介紹了汽車胎壓監視系統中無線通信數據采集系統的設計，電路結構簡單、抗干擾性強；該系統能及時準確的對輪胎內的溫度、壓力進行采集，并能在出現危險狀況時報警。系統需在節能、穩定性和安裝等方面有待提高。 本文作者的創新點：在汽車胎壓監視系統的軟件和硬件設計過程中運用多種抗干擾方法，大大提高了系統的抗干擾能力。 |
