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1、传感器实验报告摘 要随着汽车的普及，汽车行驶安全愈来愈受到重视，而轮胎压力异常是危及汽车行驶安全的重要因素之一。因此，实时监测汽车轮胎压力有着重要的意义。并通过无线数据传输方式将压力信息传输至监视终端，实现了实时监测汽车轮胎压力的功能，对汽车行驶安全起到了重要的作用。系统硬件由中央接收处理模块和胎压测量发射模块两部分组成。中央接收处理模块以ARM7微控制器LPC2103为核心，外扩无线接收电路，LCD显示屏和胎压测量模块由MPXY8300传感器及PCB天线构成。软件设计了串口驱动、SPI驱动、定驱动和LCD驱动，实现了无线数据发送和数据接收的功能。在完成软、硬件设计的基础上，分别对微控制器模块
2、、串口模块、显示模块和无线收发模块调试后，结果表明系统运行正常。关键词：TPMS MPXY8300 MC33696 ARM PCB天线 前言基于目前国内外TPMS的发展状况，本文设计一种直接式的汽车轮胎压力监测系统(简称胎压监测系统)，主要从硬件和软件两部分进行设计，具体内容如下：硬件设计给出了汽车轮胎压力监测系统的硬件设计总体方案，包括胎压测量发射模块的设计和中央接收处理模块的设计。胎压测量发射模块采用胎压传感器来采集轮胎当前的压力、温度和加速度，在芯片内部编码和调制后，通过无线方式把压力温度等信息发送给中央接收处理模块。中央接收处理模块由微控制器模块、无线收发模块、显示屏模块以及PCB天线
3、构成。其中，微控制器模块包括微控制器LPC2103、时钟电路、电源管理电路、复位电路、调试接口电路和RS-232串口电路。无线收发模块由无线收发器MC33696及外围电路、信号调理模块构成。中央接收处理模块通过天线，接收胎压测量发射模块发送的无线信号，无线信号经过信号调理模块后，由无线收发器对其解调解码后，送给微控制器进行处理，最终显示在显示屏上。在硬件设计过程中，对无线收发器模块中的信号调理电路进行仿真，为硬件设计提供依据。软件设计在硬件设计的基础上，分别对胎压测量发射模块和中央接收处理模块进行程序编写。胎压测量发射模块调用MPXY8300芯片的固件函数来编写发送程序，程序实现每隔2s更新并
4、发送帧胎压信息数据；中央接收处理模块编写了串口、显示屏和SPI接口的初始化程序，MC33696的驱动程序，显示屏显示数据程序，在这些基础上设计了整体的接收显示程序。1.绪论1.1课题研究背景及意义随着汽车的普及，汽车交通事故频繁发生，而汽车轮胎压力异常是危及汽车行驶安全的重要因素之一，愈发受到重视。据2002年美国汽车工程师学会调查，全美平均每年有26万起交通事故是由于轮胎气压低或渗漏造成的1。同样，据我国公安部统计，国内高速公路70的意外交通事故是由爆胎引起的，而时速在160公里以上发生爆胎的死亡率接近1002。由此可见，轮胎故障，尤其是轮胎压力异常，是导致交通事故频发的重要原因。早在200
5、0年11月1日，美国总统克林顿签署批准了美国国会关于修改联邦运输法的提案，联邦法案要求2003年以后出产的所有新车都需将轮胎压力监测系统作为标准配置；2006年11月1日起所有需要行驶在高速公路上的汽车都需配置轮胎压力监测系统3。在该提案的推动下，汽车轮胎压力监测系统开始受到关注。汽车轮胎压力监测系统（TPMS：Tire Pressure Monitoring System），主要用于在汽车行驶过程中，实时监测轮胎内的压力和温度，对因轮胎漏气而导致的气压异常进行报警，以保障行驶安全4。TPMS属于事前主动型安保范畴，不同于事后被动型安保的安全气囊和防抱死制动系统（ABS），一旦轮胎出现故障的征
6、兆，驾驶员就能根据警示采取相应的措施，避免事故的发生。TPMS不仅能保障驾驶员的安全，还能减少因轮胎气压异常而产生的燃油消耗，避免车辆部件与轮胎不正常的磨损，从而延长轮胎的使用寿命5。汽车轮胎压力监测系统发展至今，已与汽车安全气囊、ABS成为汽车的三大安全系统，并被大众所重视。本课题以此为背景，研究并设计一种直接式汽车轮胎压力监测系统，通过胎压测量发射模块测量和发送轮胎压力、温度等信息，利用中央接收处理模块接收数据信号并进行相应的数据处理，最终把胎压信息和低压高压警示显示在显示屏上，对保证驾驶员行车过程中的安全起到重要作用。1.2 TPMS发展状况TPMS发展至今，主要分为两种类型：一种是间接
7、式TPMS（WheelSpe BasedTPMS，简称WSB），这种系统通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的轮速差别，来达到监视胎压的目的。另一种是直接式TPMS（Pressure-Sensor Based TPMS，简称PSS），这种系统利用安装在轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，监视器实时显示轮胎气压，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。国外TPMS研究主要集中在北美、日本和欧洲地区，起步相对较早，加上政策支持，已诞生了相对成熟的产品。国外主要的生产厂商有加拿大斯马轮胎设备公司、固特异轮胎橡胶公司、米其林集团公司、日本横滨公司
8、等7。到目前为止，国外已有许多车型都安装了TPMS。1997年，通用汽车公司开始使用间接式TPMS；2000年5月，TPMS在美国上市。许多欧洲的汽车厂商也已将直接式TPMS配装于自己的中高档车型之中。国内方面，由于经济水平落后，安全观念缺乏，且缺少政策支持，TPMS发展较国外相对滞后。但是着眼于TPMS的发展趋势，国内一些高校，例如吉林大学、浙江大学、郑州大学等，已有学者对直接型TPMS进行理论研究，提出了一系列方案。此外，国内生产TPMS产品的企业也逐渐增多，但是，这些企业研发和生产水平低下，工艺相对落后，产品的功能、质量与世界一流企业相比存在着明显的差距。因此，迫切需要制定TPMS国家标
9、准，加大政策支持力度，为国内TPMS的发展提供强劲动力，从而构建更为安全的交通环境。2 胎压监测系统方案设计本章为胎压监测系统的方案设计，分别从设计需求分析、总体结构设计、核心器件选型和数据通信方式选择四个方面进行阐述。2 胎压监测系统方案设计 2.1设计需求分析TPMS作为汽车上应用的产品，关系到安全问题，在设计之初，根据实际情况进行以下的需求分析。TPMS测量轮胎压力，最终目的是让驾驶员了解胎压状况，因此，系统需由两个模块组成：用于测量汽车轮胎压力的模块(胎压测量发射模块)和告知驾驶员胎压信息的模块(中央接收处理模块)。小汽车的轮胎压力在210KPa左右8，但由于汽车型号和负载的缘故，会导
10、致胎压有所浮动，但是超过280KPa或低于180KPa时，胎压就处于异常的状态。TPMS在工作环境适应方面要求比较严格，特别是胎压测量发射模块，在任何天气且高速运行的状态下，都应能正常工作，且可以适应较宽的温度范围。此外，胎压测量发射模块要装在轮胎轮毂上，体积不能过大，太大会给轮胎安装、拆卸造成很大的困难。此外，胎压测量发射模块的重量要轻，否则会对轮胎的动态平衡产生影响。TPMS以无线方式通信，要考虑信号可靠性问题。胎压测量发射模块安装在轮毂上，且有多个，发射信号容易受到干扰和造成冲突。中央接收处理模块放入车内，车体相当于一个屏蔽盒，会减弱信号。选择合理的器件并正确设计无线收发电路，对保证信号
11、传输可靠性至关重要。TPMS的使用寿命一般较长，如果依靠增加电池容量来维持工作时间，会增加胎压测量发射模块的体积和重量。降低硬件电路的设计功耗，才是更为可行的方法之一。综上所述，TPMS的设计要求包括以下几个方面：1压力测量范围：100KPa-50KPa。高压报警：280KPa；低压报警：180KPa；2温度测量范围：-40-125；3胎压测量发射模块设计要小型化，功耗要低；4无线接收处理模块接收灵敏度高，能有效接收无线信号；5显示轮胎压力数据信息，具有低压和高压警示功能。2.2系统总体结构设计本文设计的直接式胎压监测系统，由胎压测量发射模块和中央接收处理模块组成。胎压测量发射模块车轮内缘车轮
12、外缘中央接收处理模块安装在驾驶室内，方便驾驶员观察当前汽车轮胎压力信息。四个胎压测量发射模块安装在汽车的四个轮胎轮毂中。胎压测量发射模块的安装方式如图2.1所示。图2.1胎压测量发射模块安装图胎压监测系统总体安装示意如图2.2所示。胎压测量发射模块胎压测量发射模块胎压测量发射模块胎压测量发射模块中央接受块无线信号无线信号图2.2胎压监测系统总体安装示意图其中，胎压测量发射模块主要由传感器芯片、外围电路和天线构成，测量轮胎压力和温度，并将ID号、压力、温度等信息组帧后经曼彻斯特编码送到RF发射电路，最后由RF电路将数据调制后通过天线发射给中央接收处理模块。中央接收处理模块由微控制器模块、无线收发
13、模块、显示屏及天线组成，该模块通过天线和收发器接收无线信号，解调解码后由微控制器进行分析处理，最后将数据显示到显示屏上。胎压监测系统工作原理如图2.3所示。微控制器微控制器射额电路压力传感器无线收发器显示屏射额电路天线天线图2.3胎压监测系统工作原理框图2.3核心器件选型从胎压监测系统的总体结构可以看出，整个系统中核心器件有胎压传感器、无线收发器和微控制器。核心器件的选择是系统构建的首要步骤，根据2.1节设计需求分析，三个核心器件的选型情况如下。2.3.1胎压传感器选型胎压测量发射模块是基于胎压传感器来测量轮胎压力、温度等信息的，所以要选择合适的传感器。目前，在已有的TPMS设计方案中，使用的
14、胎压测量传感器主要有Freescale的MPXY8020、英飞凌公司的SPl2以及GE公司的NPX。由于胎压测量发射模块安装在轮胎轮毂中，所以设计时要考虑小型化和低功耗两方面的问题。一般的胎压测量发射模块由传感器模块、微控制器、射频模块、电源和天线构成。MPXY8020芯片只集成了压力传感器和温度传感器，外围需增加额外的唤醒器件才能实现省电的功能，因而成本和体积也会随之增加。NPX和SPl2芯片在集成了压力和温度传感器的基础上，添加了加速度传感器和电压检测，更加有利于电源管理。这两种传感器内部虽然含有微控制器，但是没有RF模块9。随着TPMS产品市场的发展，产生了新一代的胎压传感器MPXY83
15、00。通过这三种芯片的对比，以及对MPXY83能的分析，本文选用Freescale的MPXY8300作为胎压测量发射模块的胎压传感器。MPXY8300是飞思卡尔推出的电容式胎压传感器，面向超低功耗和精确感应的汽车轮胎压力监测系统。MPXY8300芯片内部包含微控制器、射频发射器件、压力传感器件、温度传感器件以及Z轴X轴加速度传感器件，它为每个小器件都使用了最佳的处理技术10。MPXY8300芯片结构如图25所示。这个高度集成的MPXY8300系统可以安装应用在车轮上，它通过把TPMS必要的数字、模拟和传感器功能结合到一个紧凑的封装内，不仅能帮助汽车工程师减少开发周期、组件数量和系统成本，还能够为汽车应用提供各种高性能的模拟、电源管理、压力、温度和加速度传感器，以及RF器件11。MPXY8300具有以下的系统特性：1高度集成的系统封装设备；2压力传感器、温度传感器、Z轴和X轴加速度传感器；38位微控制器、512KB的RAM、8KB的FLASH、32字节参数寄存器4内部315434MHz的RF发射器，外部晶体振荡器，可编程数据波特率发生器；5ASK和FSK调制功能，曼彻斯特或双相位数据编码
