隨著汽車消費市場的日益升溫,汽車的安全性能更加被消費者所關注。在汽車高速行駛過程中,輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的,也是突發性交通事故發生的重要原因。據統計,在中國高速公路上發生的交通事故有70% 是由于爆胎引起的,而在美國這一比例更高達80%。基于此,美國運輸部 (DOT)國家公路交通安全管理委員會 (NHTSA) 出臺了法規。該法規規定:2003年11月到2006年10月31日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監測系統(Tyre Pressure Monitoring System,TPMS)。鑒于如此大的市場潛力,國內外許多公司紛紛開始投入TPMS的研制。
1 TPMS硬件系統構成
輪胎壓力監測系統分為直接系統和間接系統。間接系統是通過ABS確定輪胎壓力變化的系統。ABS通過車速傳感器確定輪胎故障,從而決定是否啟動防抱死系統。目前這類系統的準確率沒有直接系統高,故障輪胎的確定也很困難,而且系統校準極其復雜。此外,在某些情況下此類系統會無法正常工作,例如同一車軸的兩個輪胎氣壓都低時。直接系統一般由輪胎監測模塊和主機接收顯示模塊構成。通過在每一個輪胎上都安裝一個輪胎監測模塊,來實時監測汽車行駛狀態下各個輪胎的狀況,從而使安裝在駕駛臺的主機接收顯示模塊能實時顯示各輪胎氣壓、溫度等。在輪胎出現漏氣、低氣壓及高溫等異常情況時,系統會自動報警。這樣駕駛者可以直觀地了解各個輪胎狀況,以保障行車安全。
1.1 輪胎監測模塊
輪胎監測模塊嵌入到輪胎里面,主要用來監測輪胎內部氣壓和溫度狀況,并通過無線調制方式發送到主機顯示模塊,故輪胎監測模塊主要應包含傳感器、微控制器、UHF發射器以及供電電池。整個模塊放置在輪胎里面,在汽車高速行駛時且輪胎內部產生高溫情況下要能正常運行,并且能保證有效工作5～10年,故而模塊的小型化、寬工作溫度范圍以及低功耗設計就顯得尤為重要。
1.1.1 NPX-C10746簡介
NPX-C10746是GE Nova Sensor公司最新推出的輪胎壓力監測系統專用芯片,它是由一塊帶有大量外圍器件的Philip 8bit RISC內核組成的高集成度芯片。片內集成有壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、低噪聲放大器和12位A/D轉換器;內置的RC振蕩器提供系統時鐘,無需外接晶體振蕩器;SOIC 14L封裝,工作溫度達汽車工業級(-40～+125℃)。
1.1.2 監測模塊硬件構成
輪胎監測模塊硬件結構圖如圖1所示。UHF發射芯片采用Atmel公司的ATA5757,該芯片集成度高、低功耗模式下電流<1μA、MSOP-10封裝(3mm×5mm),能很好滿足監測模塊低功耗、小型化設計要求;工作電壓范圍為2V～3.6V,當監測模塊使用單塊扣式電池供電時,可不加電源管理芯片,從而進一步降低系統功耗,延長工作時間。監測模塊采用Tadiran公司的TLH-2450長效鋰亞硫酰氯扣式電池供電,該電池額定工作溫度在-40℃～+125℃之間,并具有外形尺寸小、能量密度大、自放電極低的特點。此外,供電電池串聯一個加速度開關(即圖1中的開關),用于控制監測模塊電源。當車輪轉速超過2圈/秒時,加速度開關導通,監測模塊開始工作。
1.2 主機接收顯示模塊
主機接收顯示模塊安裝在汽車駕駛臺,通過改變指示燈顏色和數碼顯示告知駕駛員車輛各輪胎當前的壓力、溫度及供電電壓狀況是否異常等。
主機接收顯示模塊硬件結構圖如圖2所示,由接收天線、UHF接收器MC33594、微控制器P89LPC930等器件組成。
MC33594器件是摩托羅拉公司生產的高度集成的UHF接收器,它能夠接收并解調OOK或FSK調制的Manchester編碼數據,同時通過一條串行外圍接口(SPI)總線將其發送出去。通信中采用FSK調制方式時,MC33594支持數據管理器,可以去掉數據幀中的同步碼、前導碼和結束符(EOM)等字節,這樣控制它的軟件就可以大大簡化。 P89LPC930是Philip公司的一款微控制器,適合于許多要求高集成度和低成本的場合,可以滿足多方面的性能要求。P89LPC930采用高性能的處理器結構,指令執行速度六倍于標準80C51器件,且帶有SPI總線接口,可方便地與MC33594進行通信。
2 TPMS系統軟件設計
TPMS的軟件比較簡單,輪胎監測模塊主要對氣壓、溫度及電源電壓數據進行測量、處理和傳輸。主機顯示模塊接收到數據幀并經校驗后顯示氣壓、溫度和電壓值,并且與報警閾值進行比較以判斷是否需要報警。整個系統對低功耗設計要求非常高,所以應盡可能合理安排程序流程,優化軟件算法。
2.1 輪胎監測模塊程序設計
輪胎監測模塊的主程序在執行完初始化功能后便根據當前氣壓值與報警閾值的差值設置定時中斷時間,然后進入低功耗模式。模塊供電電壓、輪胎氣壓和溫度的監測與數據的傳輸都放置在中斷程序,中斷結束立即進入低功耗模式。NPX-C10746內置中斷定時時間大約為0.5秒～4秒,輪胎氣壓和溫度正常時,可取3秒定時中斷一次,調用NPX的輪胎氣壓和溫度檢測與補償、CRC-16校驗計算執行庫后,通過無線方式發送給主機顯示模塊。在氣壓及溫度接近或低于報警閾值時,縮短定時中斷時間,增加數據采樣及發送頻率。因為監測模塊供電電壓下降相對比較緩慢,這里采用軟件計數定時中斷來延長其檢測周期,取20次中斷(60秒)采樣一次。定時中斷程序流程如圖3所示。
2.2 主機顯示模塊程序設計
主機上電后,P89LPC930初始化,配置完MC33594后,模塊進入等待SPI數據工作狀態。在接收到一個數據幀并經CRC校驗(采用查表法實現,減小MCU占用時間)和輪胎ID判斷無誤后,送數碼顯示并點亮相應的指示燈以表示各模塊工作正常。當輪胎監測模塊供電電壓、氣壓及溫度接近或低于報警閾值時,主機啟動LED閃爍警告或蜂鳴器報警。程序流程圖如圖4所示。
2.3 通訊及協議
2.3.1 數據幀格式
輪胎監測模塊與主機接收顯示模塊之間的無線通訊采用固定的數據幀長度進行,具體數據幀格式如表1所示。
同步碼的長度為16bit,設置成0xFB86。具體意義如下: ·0xF(1111):MC33594至少需要4bit的同步碼來喚醒它,并讓它的內部電路穩定。
·0xB8(1100 1000):MC33594的寄存器2被編程為0xB8,這樣使前同步碼中的0xB8數據被驗證并接通數據管理器。
·0x6(0110):MC33594中報頭被使能,指示有實際意義的數據輸出(從輪胎ID開始)。
MC33594接收到的同步碼不會被發送到SPI總線,所以P89LPC930收到的數據幀從輪胎ID編號開始共8個字節。
輪胎ID編號長度為32bit,它可用于表示輪胎監測模塊所屬TPMS系統的標志,并表明其被安裝在哪個方位的輪胎,從而方便主機顯示模塊辨識。P89LPC930接收到數據幀后,會對輪胎ID編號進行檢測,如果ID不匹配,數據幀就會被忽略。
氣壓、溫度和電壓各占一個字節,代表當前測得的數值。
CRC校驗碼通過監測模塊調用NPX的CRC-16校驗計算執行庫生成,放置在數據幀幀尾。主機接收顯示模塊CRC校驗正確后才進行相應處理,否則忽略該數據幀。
2.3.2 通信設置
系統的無線通信載波頻率選用433.92MHz,發射速率取9600 bps,采用FSK調制方式。發射前先對數據幀進行曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼(如圖5所示)就是用兩個bit之間的電平變化來表示數字信號0或1。由高電平變為低電平表示數字0,反之則表示數字1。通過曼徹斯特編碼可以減小發射信號的直流分量,降低誤碼率,提高通信距離。
基于NPX系列傳感器的輪胎壓力監測系統集成度較高,穩定性好,能夠同時監測輪胎氣壓、溫度及監測模塊供電電壓三個關鍵參數,當輪胎出現漏氣、溫度升高等異常情況時,系統都會自動報警,從而確保行車安全,延長輪胎的使用壽命,降低燃油的消耗。此外,主機接收顯示模塊還可以通過擴展液晶顯示、語音報警及提供與汽車控制系統接口等來適應不同用戶需要。該系統已成功應用在國內某一型號的TPMS產品中,且運行狀況良好。
參考文獻
1 RTPM Pressure Sensor NPX-C01746. GE Nova Sensor,2003
2 Tyre Pressure Monitoring System Reference Design. Jeff Burgress, 2003
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5 UHF ASK/FSK Transmitter (ATA5757). ATMEL, April 2002
6 David Marsh. Safety Check-Wireless Sensors Eye tire Pressure, EDN Europe, 2004
7 David,Marsh. Rader reflects safer highways. EDN Europe, March 2003
(本文轉自電子工程世界：http://www.eeworld.com.cn/mcu/2012/0705/article_9340_3.html)