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1、自动化仪表大作业轮胎胎压自动监测系统在线检测胎内压力和温度，具有实时液晶显示及报警功能学校：洛阳理工学院专业：自动化日期：2013年5月12日摘 要:轮胎压力监测报警系统(Tire PressureMonitoring System)(TPMS)是汽车平安领域重要电子装置,近年来已起先获得广泛应用,但传统的TPMS产品多为内置式,安装在轮胎内,安装和维护时须要拆卸轮胎造成很大不便,同时轮胎里的金属轮辋对位于胎内的压力传感器和无线放射装置有很强的屏蔽作用,信号衰竭很快,要保证信号传输到位于驾驶室内的接收器,必需提高放射功率,从而大大缩短放射器的电池运用寿命。针对这些技术问题,提出了一种新型外置干
2、脆式数字胎压监测系统,它的胎压监测节点核心器件MCU选用Infineon的专用压力处理器芯片SP30,该芯片内置MEMS压力传感器可通过外连气门芯干脆测量胎内气压,再通过无线方式与上位接收器进行无障碍无线传输通信,避开了信号屏蔽,延长了电池和产品的运用寿命以及安装成本。给出了新型外置干脆式TPMS产品的具体硬件设计、软件流程和通信协议。测试表明该系统的无线信号传输牢靠、抗干扰实力强、轮胎位置识别精确、反应灵敏、安装与维护便利及组态敏捷等特点、有着广泛的市场应用前景。关键词:无线传输;胎压监测;压力传感;编码;TPMS 胎压监测系统(TPMS)能在汽车行驶期间实时监测轮胎内气压改变,并对胎压和温
3、度异样进行报警,有效避开爆胎事故的发生。目前,TPMS系统分为两种类型: (1)间接式TPMS通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以监视胎压改变,这种方式牢靠性不高; (2)干脆式TPMS利用安装在每个轮胎上的压力传感器来干脆测量胎压,并与驾驶台的监视器无线通信,实时显示每个轮胎内的气压,这种方式简洁牢靠。但是,很多汽车厂商只是在生产新车时采纳内置安装方法配置干脆式TPMS,这样不行能从根本上解决保有车辆加装TPMS的问题,平安隐患依旧存在1-2。干脆式轮胎压力监测系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来干脆测量轮胎的气压。很明显,干脆传感系统更有效,是当前TPMS的主流和发
4、展趋势。干脆式轮胎压力监控系统又分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。被动式轮胎压力监控系统的传感器是采纳声表面波(SAW)来设计的,虽然此技术不用电池供电,但是它须要将转发器(Transponder)整合至轮胎中,这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才有可能。利用该技术研发的产品由于通讯距离短,须要在每个轮胎旁安装放射天线,所以应用范围受到限制3。主动式TPMS是采纳在硅基上利用MEMS工艺制作电容式或者压阻式压力传感器,将压力传感器安装在每个轮胎上,通过无线射频的方式将信号传送出去,安装在驾驶室里的无线接收装置接收到该压力信号,经过肯定的信号处理,显示出当前的轮胎压力。
5、主动式技术的优点是技术比较成熟,开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎4。本文介绍一种新型外置干脆式数字胎压监测系统,该系统的胎压监测节点安装在轮胎气嘴上,干脆监测胎内气压,再通过射频信号传送至驾驶室内的上位接收机,实时显示每个轮胎内的瞬压,当轮胎气压不正常时刚好发出警报,保障行车平安。该系统在通信牢靠性、实时性、敏捷性等方面有着明显的优势,填补国内TPMS后装市场的空白,有着广泛的应用前景。1 TPMS系统原理和总体结构TPMS系统主要由胎压监测节点和接收机两部分构成,系统结构框图如图1、图2所示。图1中,压力传感器采集轮胎压力和温度信号,经A/D转换,MCU获得压力值和温度数据,遵循特定的通讯
6、协议进行编码后,再由RF放射芯片和天线将编码后的数据放射出来;图2中,安装在驾驶室内的接收机接收到胎压监测节点放射的高频信号,经去噪滤波后,射频接收芯片解调出该信号,送至接收机MCU,接收机MCU再遵循特定的通讯协议,将接收到的信号进行解码,读取各个轮胎的方位和对应的压力、温度值,然后进行分析、存储和显示,并对故障轮胎发出实时报警。2 TPMS系统硬件设计与实现2. 1 胎压监测节点 胎压监测节点采纳轮胎气嘴上安装的外置式安装方式,所以要求胎压监测节点小型化,传感器采集精确、响应快,功耗低,无线通信效果好,性能牢靠。为此,胎压监测节点的主控芯片采纳Infineon公司生产的SP305,它是一款
7、嵌入式RISC处理器,采纳8位哈佛结构,二级流水线指令,快速的执行时间大大降低功耗,适用于电池供电的设计。SP30内置传感器硬模、看门狗定时器、多通道15 bitADC和两个片上振荡器,支持空闲掉电等多操作模式,支持低频唤醒(Low FrequencyWakeup)和内部时钟唤醒(In-tervalTimerWakeup)中断机制等等,因为微限制器外设功能全面,所以硬件设计电路特别简洁,从而提高了胎压监测节点的稳定性。胎压监测节点硬件设计框图电路如图3所示。图3 胎压监测节点硬件设计框图压力传感器芯片内部将两个低成本的硬模干脆封装在一起,通过芯片内的增压管干脆测压力和温度,芯片内部嵌入低噪声放
8、大器和ADC,采集精度高。MCU运用固件(Fireware)干脆限制AD转换和读取胎内气压值与温度。MCU运用软件中断方式调用固件,以执行ROM中的LIB函数, LIB函数中大量的特别循环限制和循环移位指令优化了代码, SYS(软件中断)的机制隐藏ROM的字节传送,使得固件在应用程序中不行见,大大简化了固件读取模拟量的软件编写工作。获得轮胎压力值和温度后,胎压监测节点通过射频放射芯片向接收机发送报文,本设计中射频放射芯片选用Micrel公司生产的MICRF1126,其操作电压范围为1. 83. 6 V,适用于电池供电;放射频率范围为380MHz-450MHz,输出功率最大可达+10 dBm,可
9、选择调制ASK或FSK的编码数据,数据(ASK, 433. 92 MHz,曼彻斯特编码数据)传输率高达50 kbit/s。该芯片功能强大,射频信号传输牢靠、抗干扰实力强。为保证胎压监测节点的牢靠运行, SP30运用芯片内部的看门狗定时器,它能阻挡系统故障和掉电时的电池放电。在胎压监测节点发生故障时,看门狗定时器溢出, SP30强制进入掉电模式。进入掉电模式后,内部时钟起先计数,直至计数溢出,同时产生一个RESET中断复位微处理器(也可通过低频唤醒干脆产生一个RESET中断复位微处理器)。胎压监测节点预留有一个Monitor接口,既可用于芯片编程,又可在线监控胎内气压、温度、电量等模拟量的采集和
10、校验精度,调试便利敏捷。2. 2 TPMS接收机TPMS接收机安装在汽车的驾驶室内,而胎压监测节点安装在轮胎上,行驶过程中节点在不停的旋转运动,还受到气候影响改变,所以两者之间的通信环境特别恶劣,这就要求TPMS接收机必需能够高灵敏度地响应节点发送的射频信号。本设计选用Micrel公司生产的MICRF2117作为射频接收芯片和Mirco-chip公司的生产PIC16F8868作为接收机处理器。接收机硬件电路图如图4所示。图4 接收机硬件设计框图MICRF211仅须要很少量的外围器件就能构成一个完整的射频接ASK或OOK的编码数据,MICRF211芯片抗干扰实力强,接收效果特别出众线,接收灵敏度
11、可达-110 dBm。PIC16F886是一款的高性能RISC微限制器,处理速度快, 200ns执行一条指令,芯片内置高耐用性闪存单元、增加型USART模块、看门狗定时器和主同步串行口(Master Synchronous Serial Por,t MSSP)模块,功能强大,抗干扰晶显示器实时显示节点方位、压力值、温度和电量状态,运用菜单式界警胎压、巡检频率、功能模式、操作优先级等),这些参数通过PIC16F886的MSSP模块保存在EEPROM芯片24 LC169里。为保证接收机牢靠运行,PIC16F886运用芯片内部的看门狗定时器,在处理器发生故障,看门狗定时器溢出,同时产生一个信号复位微
12、处理器。芯片还留有ICSP调试口,可以编程和在线监测处理器的运行,调试简洁便利。由于接收机和胎压监测节点之间实行433.92MHz载频进行信号传输,因此在PCB设计时应遵循高频电路设计规则10-11,对放射和接收天线也应细致匹配与调整12。接收机和与气门嘴相连的胎压监测节点实物图如图5和图6所示。图5 接收机和传感放射器实物图图6 胎压监测节点实物图3 TPMS系统软件设计及通信协议数字式TPMS系统软件分为胎压监测节点软件和接收机软件,其中每个胎压监测节点的软件限制策略和通信协议是保障TPMS系统正常工作的关键13。3. 1 胎压监测节点软件设计及通信协议 胎压监测节点软件流程如图7所示:首
13、先初始化微限制器SP30的寄存器的参数,看门狗定时器打开, MCU干脆进入运行模式,先测量轮胎压力和胎内温度,遵循特定的通讯协议进行校验码计算和数据帧编码,然后无线发送N次相同的数据帧;发送完成后,延时等待看门狗定时器溢出,CPU进入掉电状态; 2 min后,SP30内部时钟定时唤醒,CPU从掉电模式进入运行模式,如此循环反复执行。图7 胎压监测模块软件流程图胎压监测节点与接收机通信协议是通过无线数据帧来实现的。胎压监测节点向接收机发送数据帧采纳固定的数据帧长度进行,具体数据帧格式如表1所示。表1 TPMS系统无线通信数据帧格式数据帧7 6 5 4 3 2 1 0字节1 Unused电量值ID
14、12 ID11 ID10 ID9 ID8字节2 ID7 ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1 ID0字节3压力值字节4温度值字节5校验码3.2 TPMS接收机软件设计接收机的软件流程如图8所示,TPMS接收机上电复位后,初始化PIC16F886的内部寄存器,等待接收数据帧;接收到数据帧后,先推断数据帧是否有效,假如校验不对,则将数据丢弃;假如数据帧是有效的,再推断接收机是否处于自学习状态,假如处于自学习状态,则调用自学习模块,将ID信息保存至接收机内,假如处于一般工作状态,则实时显示压力值和温度,如发生故障就报警。为解决轮胎位置识别问题和保证安装便利,胎压图8 接收机软件流程图监测节
15、点外壳贴有LF(LeftFront)左前轮、RR(RightRear)右后轮等标签,而且接收机处在自学习状态时,必需将液晶显示的轮胎位置和标签对应,自学习完成后勿需再做修改。实践证明,采纳接收机自学习方式组态敏捷,完全能解决TPMS系统轮胎位置识别问题。4 胎压监测节点机械结构设计胎压监测节点安装在轮胎外面的气嘴上,称为/外置式0安装方式,因此节点的体积小、重量轻、防漏气和平安防盗是机械结构设计的关键问题。胎压监测节点的机械结构如图9所示。图9 胎压监测节点的机械结构图具体的胎压监测节点安装过程为:把胎压监测节点的A部位旋入到轮胎的气门嘴上,空心柱顶开气嘴的心轴,气体溢出,通过空心柱中心孔传到
16、密封垫上部的气室中,再由气室中的压力传感器芯片检测胎压;胎压监测节点的外壳和底盖密闭,保证传感器芯片、线路板、电池和天线的防尘防水和节点模块的防盗功能。设计中采纳可更换电池的方法和外置式的安装第9期杨 旸,闵云龙等:基于MEMS压力传感器的外置式数字胎压监测系统技术,即使电池电量耗尽或者更换轮胎,节点模块也能反复运用,与同类TPMS产品相比,极大提高了产品的运用寿命,也大大降低了成本。5 系统测试结果5.1 操作台模拟测试在数字TPMS系统的软硬件设计完成以后,在操作台上进行放射和接收系统的模拟测试,从示波器上读取放射和解调数据帧,如图10所示,其中图10 (a)、10(b)是经过调制的放射数据
