|
自汽車(chē)誕生100多年來(lái)，汽車(chē)爆胎造成的重大交通事故一直是困擾汽車(chē)界的技術(shù)難題。尤其在汽車(chē)的高速行駛過(guò)程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)表明，目前我國(guó)在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%～80%是由于輪胎問(wèn)題引起的，其中將近50%為爆胎事故。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題。據(jù)專(zhuān)家分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。為此，基于解決此類(lèi)問(wèn)題的各種胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹的TPMS是一種主動(dòng)安全技術(shù)產(chǎn)品，它采用無(wú)線傳輸技術(shù)，通過(guò)胎壓監(jiān)測(cè)模塊和接收模塊，對(duì)在行使過(guò)程中的汽車(chē)輪胎氣壓、溫度實(shí)時(shí)自動(dòng)地監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣、低壓、溫度過(guò)高進(jìn)行報(bào)警，即在發(fā)生事故前發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員采取措施，以防止爆胎事故的發(fā)生，為汽車(chē)駕駛者提供更可靠的保障。此外還有延長(zhǎng)輪胎使用壽命，節(jié)省燃油的功能。 1 MC68HC908RF2芯片簡(jiǎn)介 MC68HC908RF2微控制器是FREESCALE公司生產(chǎn)的一款低成本、高性能的8位微控制器單元(MCU)，它是M68HC08家族中的成員之一，采用了增強(qiáng)型M68HC08中心處理單元(CPU08)，適用于多種模式、存儲(chǔ)尺寸和類(lèi)型。這款MCU產(chǎn)品經(jīng)過(guò)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低功耗運(yùn)行，采用小型的32針腳小外形四方扁平封裝(LQFP)，該封裝由兩部分組成，第一部分是2KB Flash HC08 MCU(部件編號(hào)MC68HC908RK2)；第二部分是射頻轉(zhuǎn)發(fā)器(部件編號(hào)MC33493)，在自由空間中能將數(shù)據(jù)傳輸幾百米，適用于汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 MC68HC908RF2的主要特性如下： (1)高性能的M68HC08體系結(jié)構(gòu)。 (2)完全向上兼容M6508、M146805和M68HC05系列的對(duì)象代碼。 (3)在3.3V供電時(shí)的最大內(nèi)部總線頻率為4MHz。 (4)2KB的片上FLASH存儲(chǔ)器，128B的片上RAM。 (5)16位的2通道定時(shí)器接口模塊(TIM)。 (6)12個(gè)通用I/O口，帶鍵盤(pán)喚醒功能的6位鍵盤(pán)中斷。 (7)1個(gè)內(nèi)置的高頻發(fā)射模塊UHF(MC33493模塊)。 (8)較寬的工作溫度范圍：-40°C～＋125°C。 2 汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理 本設(shè)計(jì)是在基于FREESCALE的MC68HC908RF2、MPXY8020A、MC33594等核心芯片以及優(yōu)化解決方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的一套汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)高速行駛汽車(chē)的胎壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)，并記錄最后100秒的胎壓信息，為安全行車(chē)及行車(chē)管理提供依據(jù)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。 由圖1可知，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由胎壓監(jiān)測(cè)模塊和中央接收模塊兩個(gè)主要部分組成。其中胎壓監(jiān)測(cè)模塊安裝在汽車(chē)輪胎內(nèi)，該模塊帶有傳感器和無(wú)線發(fā)射裝置，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)的氣壓和溫度并把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)射裝置發(fā)送給接收模塊；中央接收模塊安裝在駕駛室操作盤(pán)附近，帶有無(wú)線接收裝置、聲光報(bào)警模塊和液晶顯示模塊，無(wú)線接收裝置接收到胎壓監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，將各輪胎的氣壓和溫度由液晶顯示模塊顯示，駕駛者通過(guò)顯示模塊即可掌握各個(gè)輪胎的氣壓和溫度狀況，當(dāng)輪胎氣壓、溫度發(fā)生異常將要出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆時(shí)，就會(huì)通過(guò)聲光報(bào)警模塊自動(dòng)報(bào)警，以提醒駕駛者減速慢行或做相應(yīng)的檢查和檢修，從而保證行車(chē)的安全以及輪胎保持在正常運(yùn)行狀態(tài)。此外，為了系統(tǒng)功能的更新和維護(hù)方便，該模塊還保留了與上位機(jī)的USART通信接口。 3 汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為胎壓監(jiān)測(cè)模塊和中央接收模塊兩大部分，下面介紹具體實(shí)現(xiàn)。 3.1 胎壓監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì) 由圖2可知，胎壓監(jiān)測(cè)模塊硬件部分主要由傳感器、控制器和天線匹配網(wǎng)絡(luò)三部分組成。其中傳感器采用的是具有測(cè)量溫度、壓力功能的MPXY8020A。該傳感器將一個(gè)變?nèi)輭毫鞲性⒁粋�(gè)溫度傳感元件和一個(gè)接口電路(帶喚醒功能)集成在同一芯片中；具有電源管理和數(shù)字輸出功能，其低功耗的特殊功能是專(zhuān)門(mén)為T(mén)PMS而設(shè)計(jì)，內(nèi)部的介質(zhì)保護(hù)過(guò)濾器可以使其硅片免受環(huán)境影響。MPXY8020A根據(jù)對(duì)S0、S1管腳的不同配置有4種操作模式：待機(jī)/復(fù)位模式、測(cè)量氣壓模式、測(cè)量溫度模式和輸出數(shù)據(jù)讀取模式。與控制器MC68HC908RF2共有6條引腳連線，其中2個(gè)引腳用于控制其操作模式，2個(gè)引腳用于數(shù)據(jù)串行交換，1個(gè)引腳用于喚醒控制器。 MPXY8020A還具有復(fù)位功能，該引腳作為一個(gè)輸出端子，定時(shí)向控制器發(fā)送復(fù)位信號(hào)，確保模塊可靠工作。 控制器MC68HC908RF2將8位Flash單片機(jī)(MCU)和UHF發(fā)射器(MC33493)集成在同一芯片內(nèi)。MCU連接傳感器，定期檢查氣壓和溫度數(shù)據(jù)。發(fā)射器雖然與MCU集成在一起，但其工作完全由MCU控制，設(shè)定其工作頻率和模式，從而控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。匹配網(wǎng)絡(luò)主要是確保由MC33493傳送來(lái)的數(shù)據(jù)能以無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送出去。 3.2 中央接收模塊硬件設(shè)計(jì) 中央接收模塊通過(guò)指示燈閃爍或液晶顯示來(lái)告知駕駛員車(chē)輛各輪胎當(dāng)前的壓力、溫度是否異常。中央接收模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由無(wú)線接收部分、主控制器以及相關(guān)的外圍器件組成。無(wú)線接收部分由高集成UHF接收器MC33594及其匹配網(wǎng)絡(luò)組成；MC33594具有接收并解調(diào)OOK或FSK調(diào)制的Manchester(曼徹斯特編碼)數(shù)據(jù)的功能，同時(shí)通過(guò)其SPI總線接口可與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；若采用FSK調(diào)制，MC33594可支持?jǐn)?shù)據(jù)管理器——Manchester數(shù)據(jù)解碼器，如果有匹配的天線，其靈敏度可以達(dá)到-103dBm。 主控制器的選擇與TPMS無(wú)關(guān)，只要該控制器帶有SPI總線接口，就可以接收、處理MC33594按順序發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中采用基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器ATmega16，該控制器具有運(yùn)行速度快、流水線方式執(zhí)行指令、可在線編程、保密性高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。對(duì)于與主控制器相連的外圍器件其功能是當(dāng)汽車(chē)的胎壓或溫度出現(xiàn)異常情況時(shí)，可通過(guò)聲、光和液晶顯示等形式向駕駛員告警。此外為了查詢、設(shè)置參數(shù)方便和便于通過(guò)計(jì)算機(jī)分析胎壓數(shù)據(jù)，該模塊還設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)模塊和與計(jì)算機(jī)的串行通信接口。 4 汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 針對(duì)汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，其軟件設(shè)計(jì)分為胎壓監(jiān)測(cè)和中央接收兩部分。 4.1 胎壓監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì) 胎壓監(jiān)測(cè)模塊的功能是準(zhǔn)確、及時(shí)地監(jiān)測(cè)各輪胎的內(nèi)部氣壓、溫度數(shù)據(jù)并發(fā)送，其軟件流程圖如圖4所示。模塊上電后，首先控制器MC68HC908RF2對(duì)自身及傳感器MPXY8020A進(jìn)行初始化。為了降低能耗，延長(zhǎng)電池的使用壽命，控制器在沒(méi)有數(shù)據(jù)需要處理和傳輸?shù)那闆r下，將自身配置成STOP模式，同時(shí)將傳感器配置成STANDBY模式，傳感器在此模式下其OUT引腳每3秒會(huì)喚醒(下降沿觸發(fā))控制器響應(yīng)鍵盤(pán)中斷。控制器在中斷處理程序中，通過(guò)修改傳感器的工作模式，分別讀取采集到的胎壓和溫度數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)射頻發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)以曼徹斯特編碼方式發(fā)送出去，同時(shí)進(jìn)入省電模式，等待響應(yīng)新的中斷。 4.2 中央接收模塊軟件設(shè)計(jì) 中央接收模塊軟件功能是完成數(shù)據(jù)的接收、處理、判別、顯示和告警，其流程如圖5所示。 該模塊以ATMEGA16為主控制器，在完成初始化后將自身配置為主機(jī)模式，通過(guò)SPI口對(duì)射頻接收器MC33594進(jìn)行初始化，將其配置在315MHz FSK模式下工作，然后又將自己配置成從機(jī)模式，等待接收數(shù)據(jù)。MC33594在接收到從胎壓監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送來(lái)的壓力、溫度數(shù)據(jù)后，由SPI口傳送給控制器，控制器在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)還要對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和復(fù)雜的算法處理，并對(duì)處理后的結(jié)果進(jìn)行判斷。若當(dāng)前輪胎內(nèi)部壓力、溫度超出了預(yù)先預(yù)定的范圍，則立即啟動(dòng)聲光報(bào)警，通過(guò)蜂鳴器、發(fā)光二極管提示駕駛員當(dāng)前存在異常，同時(shí)由LCD將發(fā)生異常的輪胎號(hào)、胎內(nèi)信息顯示出來(lái)；否則提示汽車(chē)運(yùn)行正常。此外，控制器還可以利用鍵盤(pán)設(shè)定、更新輪胎壓力、溫度上/下限值和輪胎ID號(hào)，利用串口實(shí)現(xiàn)與PC之間的通信，便于查詢、分析記錄的數(shù)據(jù)，為優(yōu)化控制算法和分析交通事故提供依據(jù)。 目前，市場(chǎng)上的TPMS 產(chǎn)品主要分為兩種類(lèi)型：一種是間接式TPMS，該類(lèi)系統(tǒng)是通過(guò)汽車(chē)ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)測(cè)胎壓的目的；另一種是直接式TPMS，這種系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓、溫度，并對(duì)各輪胎氣壓、溫度進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。本設(shè)計(jì)為直接式TPMS，實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明：該系統(tǒng)借助芯片組和軟件優(yōu)化算法，能夠識(shí)別輪胎(包括備用胎)，檢測(cè)壓力過(guò)大或不足的情況，還能夠補(bǔ)償貨物重量的變化，監(jiān)控輪胎溫度，對(duì)異常情況及時(shí)報(bào)警。此外，該系統(tǒng)還兼容各種汽車(chē)平臺(tái)和輪胎技術(shù)，模塊級(jí)的能量管理可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，并在電池電量過(guò)低時(shí)發(fā)出信號(hào)。 隨著人們對(duì)汽車(chē)主動(dòng)安全性要求的提高及TPMS對(duì)防止重大交通事故發(fā)生的積極作用，市場(chǎng)對(duì)高性能的TPMS的需求量將會(huì)進(jìn)一步增加。因此，汽車(chē)胎壓監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間和非常好的市場(chǎng)前景。 |
