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1、皇型量与仪器学报2 0 0 5 年增刊基于M P C 5 5 5 微控制器的轮胎压力监测系统( T P M S ) 设计王宇光王延君李华( 北京航空航天大学理学院北京西曼自动化技术有限公司)摘要：新代基于3 2 位M P C 5 5 5 微控制器的电控单元( E C U ) 已成为开发汽车电了应用产品的发展方向。本设计将胎压监测系统和M P C 5 5 5 微控制器进行整体结合，对T P M S 硬件设计和软件结构进行描述，为胎脉临测系统和汽车电控单元的整体设计提出了种结构性方案。关键字：M P C 5 5 5 微控制器轮胎压力监测系统( T P M S ) 轮胎鹾力传感器S P ID e s
2、 i g no f T i r eP r e s s u r eM o n i t o rS y s t e m ( T P M S ) B a s e do nM P C 5 5 5M i c r o c o n t r o l l e rA b s t r a c t ：T h en e wg e n e r a t i o ne l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( E C U ) b a s e do n3 2b i t sM P C 5 5 5h a sb e c o m et h el e a d i n gt e c h n o l o
3、g yf o rd e v e l o p i n ga u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sp r o d u c t s I nt h i sd e s i g n ，ai n t e g r a t i v es y s t e mc o m b i n i n gt h eE C Ub a s e do nM P C 5 5 5m i c r o c o n t r o l l e ra n dt h eT i r eP r e s s u r eM o n i t o rS y s t e m ( T P M S ) m o d u l ew
4、i t hs o f t w a r es t r u c t u r ea n dh a r d w a r ed e s i g nh a v eb e e np r e s e n t e d An e ws t r u c t u r a lT P M Ss y s t e mc o m b i n e dw i t h3 2b i t sE C Us y s t e mh a sb e e np r o p o s e d K e y w o r d s ：M P C 5 5 5m i c m c o n t r o l l e r ；t i r ep r e s s u r em
5、o n i t o rs y s t e m ( T P M S ) ；t i r ep r e s s u r es e n s o r ；S P I 1 前言随着中国经济的持续发展，汽车越来越多地进入普通家庭。在汽车的高速行驶过程中，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，在高速公路上 发生的交通事故7 0 一8 0 是由于爆胎引起的。 T P M S ( T i r eP r e s s u r eM o n i t o r i n gS y s t e m ) 主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，以 保障行车安全。2 0 0 0
6、 年1 1 月1 日美国签署批准了困会关于修改联邦运输法的提案，要求2 0 0 3 年后所有的新车都必须把这种系统作为标准配置。而在中国随着汽车的普及，相关安全规定也必将很快的出台。2 系统简介M P C5 5 5 微控制器是M o t o r o l aP o w e r P C5 0 0系列的代表产品。诞生于1 9 9 8 年。随着汽车工业的飞速发展，汽车在控制、通信和网络方面的要求越来越复杂。以3 2 位微控制器、嵌入式实时操作系统为基本技术特征的新一4 I 电控单元( E l e c t r o n i c6 5 3C o n t r o lU n i t 。E C U ) 也已成为汽
7、车电子应用的主流，M P C 5 5 5 微控制器以其强大的性能正在汽车电子等领域得到了广泛的应用。目前，对于车载系统而言，T P M S 和汽车的E C U 是各自独立的，将T P M S 和M P C 5 5 5 系统结合，形 成。+ 个整合的设计方案，是未来E C U 和T P M S 发 展的趋势。目前，围内众多厂商都在进行基于 M P C 5 5 5 微控制器的E C U 的开发，设计。个基于 M P C 5 5 5 微控制器的T P M S ，也是对汽车电子集成优化的1 个尝试。本设计有两人部分组成，一部分是用作数据接收、处理、显示的以M P C 5 5 5 和M C 3 3 5
8、9 4 为核心 的数据处理模块；另一部分是由压力传感器 M P X Y 8 0 2 0 A 和具有无线发射功能的微控制器M C 6 8 H C 9 0 8 R F 2 组成的胎压监测模块。这两部分之问的数据传递是通过射频收发来实现的，无线发射和接收系统工作在4 3 4 M H z 频率F S K ( F r e q u e n c yS h i f tK e y i n g ) 模式下。其_ 作示意图如图l 。3 V数据处理模块图1T P M S 系统工作示意图2 1M P 0 5 5 5 简介M P C 5 5 5 微控制器是专为汽车电子、航空航天、智能系统等嵌入式控制系统所开发的3 2 位
9、产品。该产品可以在高速移动、苛刻的环境下工作，具有高性能和高度的灵活性和可靠性。它具有双C A N 2 0 B控制器模块和队列串行多通道模块，1 0 位精度的A D ，还具有时间处理单元( T P U ) ，非常适合开发 高档车用E C U 。2 2 射频发射和接收芯片简介 该设计在射频部分采用M C 6 8 H C 9 0 8 R F 2 和 M C 3 3 5 9 4 两个：H 心- 片。M C 6 8 H C 9 0 8 R F 2 包括两个部分：个H C 0 8 微控制单元和。1 个可以发射U H F频段数据的射频发射器；M C 3 3 5 9 4 是一个单片集成接收器，该：签片可接收
10、经过曼彻斯特编码的数据，并经S P I 接口发送给与之相连的微处理器。2 3 压力传感器简介 在T P M S 系统中，压力传感器是系统的关键部 件。本设计选择的压力传感器的型号为M P X Y 8 0 2 0 A ，这是一种表面微机械加工的电容性微机电系统。该传感器具有检测0 k P a 6 3 7 k P a 压力和- 4 0 1 2 5 “ C 温度的能力。能输出经过校准的8 位数字压力和温度数据。 该传感器还具有M C U 唤醒信号和复位信号引 脚，每3 秒提供一次M C U 唤醒信号，每5 2 分钟提6 5 4供一次复位信号，复位信号可以保证M C U 在受到干扰时能被强制性复位。3
11、 系统软硬件设计3 1 硬件设计3 1 1 数据处理模块硬件设计 数据处理模块包括以M P C 5 5 5 为核心的数据处 理板和以M C 3 3 5 9 4 为核心的数据接收板，这两部分通过S P I 接口连接在一起，完成轮胎压力接收、显示、报警等处理，是T P M S 的数据处理中心。该 模块还具有B D M 和R S 2 3 2 接口可以和上位机( P C 机) 进行通讯，也可以利用P C 对T P M S 系统的参数进行设置。M P C 5 5 5 是数据处理板的处理中心，它可以作 为车用E C U 的控制器，实现包括发动机、车身、底盘和其它系统的各种功能控制。在本设计中，仪采用它的S
12、 P I 单元来接收数据并对接收到的数据进行处理、传输和显示。 该数据处理板是基于M P C 5 5 5 微控制器的实用 扩展系统。该系统对M P C 5 5 5 微控制器的I O 、存储器、通讯接U 以及调试接口进行了扩展。扩展系统 外部具有4 MF l a s h 和2 M 高速S R A M ；两个C A N口：两个R S 2 3 2 串行接口以及液晶显示接口，支持标准B D M 接U ，系统可以通过D I P 开关进行P L L 、复位配置、选择片选信号。扩展系统强化了M P C 5 5 5微控制器外围电路，考虑到汽车电源干扰比较严重，系统对M P C 5 5 5 ) I “ 围的电源
13、进行强化。电路板采用六层结构，除四个信号层外，还有电源地和电源层，布局时主要考虑了芯片的信号传输和电磁兼容性及抗干扰性能。 数据接收部分采用独立电路板，系统采用单片M C 3 3 5 9 4 力N 上外围元件组成数据接收板，该板通过扁j ，电缆线和数据处理板相连，数据处理模块的硬件配置和连接如图2 所示。3 1 2 骀压监测模块硬件设计 胎压监测模块安装在轮胎内，由T P M S 专用锂电池供电。轮胎传感器除了能够检测压力外，还能检测温度。 M C 6 8 H C 9 0 8 R F 2t J 虽然集成了射频发送芯片，但射频发送芯片的工作仍需要完全由M C U 来控电子测量与仪器学报2 0 0
14、 5 年增刊图2 数据处理模块硬件配置和连接图制，其工作时需要M C U 来设定其工作频率及模式，从而控制数据的发送。 胎压监测模块的环型天线直接印制在电路板上，与之匹配的网络是一种高通滤波器，它存在有用信号的高次谐波辐射，会损失一部分发射功率，但在近距离内，这种设计方式还是可行的。胎压监 测模块的硬件联接如图3 所示。性和使用时间。系统涉及到无线通讯时要消耗比较多的能量，在进行此部分软件设计时，必须注意软件的算法结构，以保证可靠性和低功耗的要求。 因为胎压监测模块工作环境比较恶劣且更换不方便，所以胎压监测模块在进行软件设计时，要考虑程序对模块实时性、可靠性和耗电量的影响。 由于系统在进行高频
15、发射时耗电较多，本设计将发3 2 软件设计3 2 、胎压监测模块软件设计 胎压监测模块软件设计是整个T P M S 系统的关键环节，它关系到整个系统的精度、稳定性、可靠6 5 5射周期设为3 0 秒( 1 0 个检测周期) ，这样既能保证实时性，又能满足低功耗的要求。软件主要工作方式为中断工作方式。M C U 上电或复位后，先设置传感器工作在S T A N D B Y 模式下，然后自己进入S T O P 模式。当传感器处于 S T A N D B Y 模式时，会每三秒发送一个唤醒脉冲( 由 内置低频晶振来定时) ，该唤醒脉冲和M C U 上的一 个键盘中断脚P T A 3 相连，使M C U
16、脱离S T O P 模 式进入中断服务程序工作。M C U 在中断服务程序中测量胎压和温度并对 其进行比较储存，然后再次进入S T O P 模式。在连 续十次唤醒后( 3 0 秒) ，M C U 分析存储的胎压最大图4 胎压监测模块软件流值和最小值间的差异。如果这个差值超过了存储在 R A M 中的最大差值( A m a x ) 时，也就是轮胎在短时间内有较大的压力变化时，程序启动快速发送模式，以提高接收机收到数据的可能性和实时性。这种工作模式大大的降低了模块功耗，延长了 胎压监测模块的使用寿命，同时提高其工作可靠性。并且传感器的复位信号将每隔5 2 分钟复位一 次M C U ，可以进一步提高系统工作的可靠性。图4是胎压监测模块软件流程图。3 。2 2 压力和湿度数据的读取 M P X Y 8 0 2 0 A 传感器利用外部的M C U 作为逐 次逼近程序的控制器，M C U 将猜测值通过S P I 接口串行地发送到传感器的数模转换寄存器D A R ，器件内数，模转换器将此猜测值变为模拟值，并与待 测的
