壓電式傳感器及其應(yīng)用

1、傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告摘 要隨著汽車的普及，汽車行駛安全愈來愈受到重視，而輪胎壓力異常是危及汽車行駛安全的重要因素之一。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車輪胎壓力有著重要的意義。并通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式將壓力信息傳輸至監(jiān)視終端，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車輪胎壓力的功能，對(duì)汽車行駛安全起到了重要的作用。系統(tǒng)硬件由中央接收處理模塊和胎壓測(cè)量發(fā)射模塊兩部分組成。中央接收處理模塊以ARM7微控制器LPC2103為核心，外擴(kuò)無線接收電路，LCD顯示屏和胎壓測(cè)量模塊由MPXY8300傳感器及PCB天線構(gòu)成。軟件設(shè)計(jì)了串口驅(qū)動(dòng)、SPI驅(qū)動(dòng)、定驅(qū)動(dòng)和LCD驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的功能。在完成軟、硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別對(duì)微控制器模塊

2、、串口模塊、顯示模塊和無線收發(fā)模塊調(diào)試后，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行正常。關(guān)鍵詞：TPMS MPXY8300 MC33696 ARM PCB天線 前言基于目前國內(nèi)外TPMS的發(fā)展?fàn)顩r，本文設(shè)計(jì)一種直接式的汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng))，主要從硬件和軟件兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下：硬件設(shè)計(jì)給出了汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)總體方案，包括胎壓測(cè)量發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)和中央接收處理模塊的設(shè)計(jì)。胎壓測(cè)量發(fā)射模塊采用胎壓傳感器來采集輪胎當(dāng)前的壓力、溫度和加速度，在芯片內(nèi)部編碼和調(diào)制后，通過無線方式把壓力溫度等信息發(fā)送給中央接收處理模塊。中央接收處理模塊由微控制器模塊、無線收發(fā)模塊、顯示屏模塊以及PCB天線

3、構(gòu)成。其中，微控制器模塊包括微控制器LPC2103、時(shí)鐘電路、電源管理電路、復(fù)位電路、調(diào)試接口電路和RS-232串口電路。無線收發(fā)模塊由無線收發(fā)器MC33696及外圍電路、信號(hào)調(diào)理模塊構(gòu)成。中央接收處理模塊通過天線，接收胎壓測(cè)量發(fā)射模塊發(fā)送的無線信號(hào)，無線信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊后，由無線收發(fā)器對(duì)其解調(diào)解碼后，送給微控制器進(jìn)行處理，最終顯示在顯示屏上。在硬件設(shè)計(jì)過程中，對(duì)無線收發(fā)器模塊中的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行仿真，為硬件設(shè)計(jì)提供依據(jù)。軟件設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別對(duì)胎壓測(cè)量發(fā)射模塊和中央接收處理模塊進(jìn)行程序編寫。胎壓測(cè)量發(fā)射模塊調(diào)用MPXY8300芯片的固件函數(shù)來編寫發(fā)送程序，程序?qū)崿F(xiàn)每隔2s更新并

4、發(fā)送幀胎壓信息數(shù)據(jù)；中央接收處理模塊編寫了串口、顯示屏和SPI接口的初始化程序，MC33696的驅(qū)動(dòng)程序，顯示屏顯示數(shù)據(jù)程序，在這些基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了整體的接收顯示程序。1.緒論1.1課題研究背景及意義隨著汽車的普及，汽車交通事故頻繁發(fā)生，而汽車輪胎壓力異常是危及汽車行駛安全的重要因素之一，愈發(fā)受到重視。據(jù)2002年美國汽車工程師學(xué)會(huì)調(diào)查，全美平均每年有26萬起交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的1。同樣，據(jù)我國公安部統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)高速公路70的意外交通事故是由爆胎引起的，而時(shí)速在160公里以上發(fā)生爆胎的死亡率接近1002。由此可見，輪胎故障，尤其是輪胎壓力異常，是導(dǎo)致交通事故頻發(fā)的重要原因。早在200

5、0年11月1日，美國總統(tǒng)克林頓簽署批準(zhǔn)了美國國會(huì)關(guān)于修改聯(lián)邦運(yùn)輸法的提案，聯(lián)邦法案要求2003年以后出產(chǎn)的所有新車都需將輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)配置；2006年11月1日起所有需要行駛在高速公路上的汽車都需配置輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3。在該提案的推動(dòng)下，汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始受到關(guān)注。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS：Tire Pressure Monitoring System），主要用于在汽車行駛過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)的壓力和溫度，對(duì)因輪胎漏氣而導(dǎo)致的氣壓異常進(jìn)行報(bào)警，以保障行駛安全4。TPMS屬于事前主動(dòng)型安保范疇，不同于事后被動(dòng)型安保的安全氣囊和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS），一旦輪胎出現(xiàn)故障的征

6、兆，駕駛員就能根據(jù)警示采取相應(yīng)的措施，避免事故的發(fā)生。TPMS不僅能保障駕駛員的安全，還能減少因輪胎氣壓異常而產(chǎn)生的燃油消耗，避免車輛部件與輪胎不正常的磨損，從而延長(zhǎng)輪胎的使用壽命5。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展至今，已與汽車安全氣囊、ABS成為汽車的三大安全系統(tǒng)，并被大眾所重視。本課題以此為背景，研究并設(shè)計(jì)一種直接式汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過胎壓測(cè)量發(fā)射模塊測(cè)量和發(fā)送輪胎壓力、溫度等信息，利用中央接收處理模塊接收數(shù)據(jù)信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，最終把胎壓信息和低壓高壓警示顯示在顯示屏上，對(duì)保證駕駛員行車過程中的安全起到重要作用。1.2 TPMS發(fā)展?fàn)顩rTPMS發(fā)展至今，主要分為兩種類型：一種是間接

7、式TPMS（WheelSpe BasedTPMS，簡(jiǎn)稱WSB），這種系統(tǒng)通過汽車ABS的輪速傳感器來比較輪胎之間的輪速差別，來達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的。另一種是直接式TPMS（Pressure-Sensor Based TPMS，簡(jiǎn)稱PSS），這種系統(tǒng)利用安裝在輪胎里的壓力傳感器來直接測(cè)量輪胎的氣壓，并通過無線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)的監(jiān)視器上，監(jiān)視器實(shí)時(shí)顯示輪胎氣壓，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。國外TPMS研究主要集中在北美、日本和歐洲地區(qū)，起步相對(duì)較早，加上政策支持，已誕生了相對(duì)成熟的產(chǎn)品。國外主要的生產(chǎn)廠商有加拿大斯馬輪胎設(shè)備公司、固特異輪胎橡膠公司、米其林集團(tuán)公司、日本橫濱公司

8、等7。到目前為止，國外已有許多車型都安裝了TPMS。1997年，通用汽車公司開始使用間接式TPMS；2000年5月，TPMS在美國上市。許多歐洲的汽車廠商也已將直接式TPMS配裝于自己的中高檔車型之中。國內(nèi)方面，由于經(jīng)濟(jì)水平落后，安全觀念缺乏，且缺少政策支持，TPMS發(fā)展較國外相對(duì)滯后。但是著眼于TPMS的發(fā)展趨勢(shì)，國內(nèi)一些高校，例如吉林大學(xué)、浙江大學(xué)、鄭州大學(xué)等，已有學(xué)者對(duì)直接型TPMS進(jìn)行理論研究，提出了一系列方案。此外，國內(nèi)生產(chǎn)TPMS產(chǎn)品的企業(yè)也逐漸增多，但是，這些企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)水平低下，工藝相對(duì)落后，產(chǎn)品的功能、質(zhì)量與世界一流企業(yè)相比存在著明顯的差距。因此，迫切需要制定TPMS國家標(biāo)

9、準(zhǔn)，加大政策支持力度，為國內(nèi)TPMS的發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力，從而構(gòu)建更為安全的交通環(huán)境。2 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本章為胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，分別從設(shè)計(jì)需求分析、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、核心器件選型和數(shù)據(jù)通信方式選擇四個(gè)方面進(jìn)行闡述。2 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)需求分析TPMS作為汽車上應(yīng)用的產(chǎn)品，關(guān)系到安全問題，在設(shè)計(jì)之初，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行以下的需求分析。TPMS測(cè)量輪胎壓力，最終目的是讓駕駛員了解胎壓狀況，因此，系統(tǒng)需由兩個(gè)模塊組成：用于測(cè)量汽車輪胎壓力的模塊(胎壓測(cè)量發(fā)射模塊)和告知駕駛員胎壓信息的模塊(中央接收處理模塊)。小汽車的輪胎壓力在210KPa左右8，但由于汽車型號(hào)和負(fù)載的緣故，會(huì)導(dǎo)

10、致胎壓有所浮動(dòng)，但是超過280KPa或低于180KPa時(shí)，胎壓就處于異常的狀態(tài)。TPMS在工作環(huán)境適應(yīng)方面要求比較嚴(yán)格，特別是胎壓測(cè)量發(fā)射模塊，在任何天氣且高速運(yùn)行的狀態(tài)下，都應(yīng)能正常工作，且可以適應(yīng)較寬的溫度范圍。此外，胎壓測(cè)量發(fā)射模塊要裝在輪胎輪轂上，體積不能過大，太大會(huì)給輪胎安裝、拆卸造成很大的困難。此外，胎壓測(cè)量發(fā)射模塊的重量要輕，否則會(huì)對(duì)輪胎的動(dòng)態(tài)平衡產(chǎn)生影響。TPMS以無線方式通信，要考慮信號(hào)可靠性問題。胎壓測(cè)量發(fā)射模塊安裝在輪轂上，且有多個(gè)，發(fā)射信號(hào)容易受到干擾和造成沖突。中央接收處理模塊放入車內(nèi)，車體相當(dāng)于一個(gè)屏蔽盒，會(huì)減弱信號(hào)。選擇合理的器件并正確設(shè)計(jì)無線收發(fā)電路，對(duì)保證信號(hào)

11、傳輸可靠性至關(guān)重要。TPMS的使用壽命一般較長(zhǎng)，如果依靠增加電池容量來維持工作時(shí)間，會(huì)增加胎壓測(cè)量發(fā)射模塊的體積和重量。降低硬件電路的設(shè)計(jì)功耗，才是更為可行的方法之一。綜上所述，TPMS的設(shè)計(jì)要求包括以下幾個(gè)方面：1壓力測(cè)量范圍：100KPa-50KPa。高壓報(bào)警：280KPa；低壓報(bào)警：180KPa；2溫度測(cè)量范圍：-40-125；3胎壓測(cè)量發(fā)射模塊設(shè)計(jì)要小型化，功耗要低；4無線接收處理模塊接收靈敏度高，能有效接收無線信號(hào)；5顯示輪胎壓力數(shù)據(jù)信息，具有低壓和高壓警示功能。2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由胎壓測(cè)量發(fā)射模塊和中央接收處理模塊組成。胎壓測(cè)量發(fā)射模塊車輪內(nèi)緣車輪

12、外緣中央接收處理模塊安裝在駕駛室內(nèi)，方便駕駛員觀察當(dāng)前汽車輪胎壓力信息。四個(gè)胎壓測(cè)量發(fā)射模塊安裝在汽車的四個(gè)輪胎輪轂中。胎壓測(cè)量發(fā)射模塊的安裝方式如圖2.1所示。圖2.1胎壓測(cè)量發(fā)射模塊安裝圖胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體安裝示意如圖2.2所示。胎壓測(cè)量發(fā)射模塊胎壓測(cè)量發(fā)射模塊胎壓測(cè)量發(fā)射模塊胎壓測(cè)量發(fā)射模塊中央接受塊無線信號(hào)無線信號(hào)圖2.2胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體安裝示意圖其中，胎壓測(cè)量發(fā)射模塊主要由傳感器芯片、外圍電路和天線構(gòu)成，測(cè)量輪胎壓力和溫度，并將ID號(hào)、壓力、溫度等信息組幀后經(jīng)曼徹斯特編碼送到RF發(fā)射電路，最后由RF電路將數(shù)據(jù)調(diào)制后通過天線發(fā)射給中央接收處理模塊。中央接收處理模塊由微控制器模塊、無線收發(fā)

13、模塊、顯示屏及天線組成，該模塊通過天線和收發(fā)器接收無線信號(hào)，解調(diào)解碼后由微控制器進(jìn)行分析處理，最后將數(shù)據(jù)顯示到顯示屏上。胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖2.3所示。微控制器微控制器射額電路壓力傳感器無線收發(fā)器顯示屏射額電路天線天線圖2.3胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理框圖2.3核心器件選型從胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以看出，整個(gè)系統(tǒng)中核心器件有胎壓傳感器、無線收發(fā)器和微控制器。核心器件的選擇是系統(tǒng)構(gòu)建的首要步驟，根據(jù)2.1節(jié)設(shè)計(jì)需求分析，三個(gè)核心器件的選型情況如下。2.3.1胎壓傳感器選型胎壓測(cè)量發(fā)射模塊是基于胎壓傳感器來測(cè)量輪胎壓力、溫度等信息的，所以要選擇合適的傳感器。目前，在已有的TPMS設(shè)計(jì)方案中，使用的

14、胎壓測(cè)量傳感器主要有Freescale的MPXY8020、英飛凌公司的SPl2以及GE公司的NPX。由于胎壓測(cè)量發(fā)射模塊安裝在輪胎輪轂中，所以設(shè)計(jì)時(shí)要考慮小型化和低功耗兩方面的問題。一般的胎壓測(cè)量發(fā)射模塊由傳感器模塊、微控制器、射頻模塊、電源和天線構(gòu)成。MPXY8020芯片只集成了壓力傳感器和溫度傳感器，外圍需增加額外的喚醒器件才能實(shí)現(xiàn)省電的功能，因而成本和體積也會(huì)隨之增加。NPX和SPl2芯片在集成了壓力和溫度傳感器的基礎(chǔ)上，添加了加速度傳感器和電壓檢測(cè)，更加有利于電源管理。這兩種傳感器內(nèi)部雖然含有微控制器，但是沒有RF模塊9。隨著TPMS產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展，產(chǎn)生了新一代的胎壓傳感器MPXY83

15、00。通過這三種芯片的對(duì)比，以及對(duì)MPXY83能的分析，本文選用Freescale的MPXY8300作為胎壓測(cè)量發(fā)射模塊的胎壓傳感器。MPXY8300是飛思卡爾推出的電容式胎壓傳感器，面向超低功耗和精確感應(yīng)的汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。MPXY8300芯片內(nèi)部包含微控制器、射頻發(fā)射器件、壓力傳感器件、溫度傳感器件以及Z軸X軸加速度傳感器件，它為每個(gè)小器件都使用了最佳的處理技術(shù)10。MPXY8300芯片結(jié)構(gòu)如圖25所示。這個(gè)高度集成的MPXY8300系統(tǒng)可以安裝應(yīng)用在車輪上，它通過把TPMS必要的數(shù)字、模擬和傳感器功能結(jié)合到一個(gè)緊湊的封裝內(nèi)，不僅能幫助汽車工程師減少開發(fā)周期、組件數(shù)量和系統(tǒng)成本，還能夠

16、為汽車應(yīng)用提供各種高性能的模擬、電源管理、壓力、溫度和加速度傳感器，以及RF器件11。MPXY8300具有以下的系統(tǒng)特性：1高度集成的系統(tǒng)封裝設(shè)備；2壓力傳感器、溫度傳感器、Z軸和X軸加速度傳感器；38位微控制器、512KB的RAM、8KB的FLASH、32字節(jié)參數(shù)寄存器4內(nèi)部315434MHz的RF發(fā)射器，外部晶體振蕩器，可編程數(shù)據(jù)波特率發(fā)生器；5ASK和FSK調(diào)制功能，曼徹斯特或雙相位數(shù)據(jù)編碼，128位RF數(shù)據(jù)緩沖器；。64個(gè)GPIO管腳，帶有可選的上拉下拉和喚醒中斷；7LFO驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)中斷，帶有8、16、32、64、128、256和512ms的內(nèi)部中斷；8LFO驅(qū)動(dòng)的低功耗喚醒定時(shí)器和周

17、期復(fù)位；92通道通用定時(shí)器；10 -40-+125的溫度工作范圍。3 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章介紹胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，本章分為兩個(gè)部分，分別介紹胎壓測(cè)量發(fā)射模塊和中央接收處理模塊的硬件設(shè)計(jì)。3.1胎壓測(cè)量發(fā)射模塊硬件設(shè)計(jì)3.1.1胎壓測(cè)量發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在第二章23小節(jié)核心器件選型中，選擇MPXY8300作為胎壓測(cè)量發(fā)射模塊的胎壓傳感器。由于MPXY8300集傳感器和微控制器于一體，因此，本文設(shè)計(jì)的胎壓測(cè)量發(fā)射模塊由胎壓傳感器MPXY8300芯片及其外圍電路、PCB天線構(gòu)成，如圖31所示，其中MPXY8300外圍電路主要由電源、晶振和仿真器接口組成；采用SemiL

18、oop天線作壓測(cè)量發(fā)射模塊的天線；仿真器接口用于調(diào)試軟件。胎壓測(cè)量發(fā)射模塊晶振、電源仿真器接口MPXY8300PCB天線圖31胎壓測(cè)量發(fā)射模塊結(jié)構(gòu)圖3.1.2胎壓測(cè)量發(fā)射模塊天線設(shè)計(jì)MPXY8300集成了傳感器、微控制器和射頻模塊，能夠測(cè)量胎壓等信息，還需設(shè)計(jì)天線，以使胎壓測(cè)量發(fā)射模塊能夠通過無線方式將數(shù)據(jù)傳送給中央接收處理模塊。天線的設(shè)計(jì)直接影響到TPMS通信的距離、穩(wěn)定性和可靠性，因此對(duì)于天線的設(shè)計(jì)需要慎重考慮。目前，天線主要有PCB天線、芯片天線和外接天線三種，各自的優(yōu)缺點(diǎn)列在表3.1中。表31天線類型及其優(yōu)缺點(diǎn)天線類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)PCB天線成本低，尺寸小設(shè)計(jì)難度大芯片天線尺寸小性能中等，成

19、本中等外接天線性能好成本高由于胎壓測(cè)量發(fā)射模塊安裝位置的特殊性，決定了所需設(shè)計(jì)天線的類型。本論文選擇成本低、尺寸小的PCB天線。PCB天線根據(jù)形狀和大小的不同，其性能也不同，可以分為全向天線和定向天線。全向天線在360。方向上都均勻輻射，應(yīng)用距離近。而定向天線在360方向上的輻射有差異，表現(xiàn)為一定角度的范圍輻射，通信距離遠(yuǎn)。由于胎壓測(cè)量發(fā)射模塊安裝在輪胎輪轂上，會(huì)隨著輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，為了胎壓測(cè)量發(fā)射模塊在任何時(shí)候發(fā)送到中央接收處理模塊上的信號(hào)都能夠有足夠的強(qiáng)度，保證兩模塊之間能穩(wěn)定通信，需將該模塊的天線設(shè)計(jì)成全向天線。常用的PCB天線有“倒L形”、“倒F形”等，這些天線性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定、無需

20、額外調(diào)諧元件。但由于本系統(tǒng)工作在434MHz的頻率上，相對(duì)來說，這個(gè)工作頻率較低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，用“倒L形”、“倒F形”等天線的話會(huì)使得天線尺寸過丈而無法安裝使用。屋終選擇Semi-Loop作為發(fā)射天線，這種天線具有尺寸小(長(zhǎng)度必須小于四分之一波長(zhǎng))、頻點(diǎn)穩(wěn)定、適合應(yīng)用于手持設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。SemiLoop天線幽33Semi-Loop無線設(shè)計(jì)示意惻天線設(shè)計(jì)繞轉(zhuǎn)PCB邊緣一圈為非閉合型單端天線。3.2中央接收處理模塊硬件設(shè)計(jì)3.2.1中央接收處理模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中央接收處理模塊主要由以下模塊組成：微控制器模塊、無線收發(fā)模塊、天線模塊和顯示屏模塊。其中，微控制器模塊包括微控制器LPC2103、時(shí)鐘電路、電源管

21、理電路、復(fù)位電路、調(diào)試接口電路和RS.232串口電路。無線收發(fā)模塊由無線收發(fā)器MC33696及外圍電路、信號(hào)調(diào)理模塊構(gòu)成。天線模塊為PCB天線，接收來自胎壓測(cè)量發(fā)射模塊發(fā)送的無線信號(hào)；信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，利于收發(fā)器接收；收發(fā)器接收到數(shù)據(jù)后，通過SPI接口傳給微控制器處理，最終微控制器把胎壓數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上。中央接收處理模塊總體結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。微控制器模塊時(shí)鐘電路電源管理模塊調(diào)試接口電路RS-232串口電路 微控制器 （LPC2103）復(fù)位電路無線收發(fā)器MC33696顯示屏模塊天線模塊（PCB天線）信號(hào)調(diào)理模塊（包括SAW、LNA、PA電路）圖3.5中央接收處理模塊結(jié)構(gòu)圖3.2

22、.2微控制器模塊電路設(shè)計(jì)微控制器模塊包括時(shí)鐘電路、電源管理電路、復(fù)位電路、調(diào)試接口電路和RS-232串口電路，以下分別說明各電路的設(shè)計(jì)。(1)時(shí)鐘電路：程序在LPC2103上有序運(yùn)行需要時(shí)間基準(zhǔn)，而時(shí)鐘電路就是用來提供這個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)的，因此時(shí)鐘電路的搭建是整個(gè)微控制器電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。LPC2103的振蕩器可工作在兩種模式下：從屬模式和振蕩模式，在本設(shè)計(jì)中，選擇振蕩模式。由于LPC2103板上振蕩器電路支持1MHz25MHz的外部晶振，所以選擇最常用的11.0592MHz的晶振。其中，X1是振蕩器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器電路的輸入，X2是振蕩器的輸出，Y1是外部晶體振蕩器。(2)電源管理電路：電源管理電路

23、是嵌入式系統(tǒng)不可或缺的一部分，它為整個(gè)系統(tǒng)正常工作提供穩(wěn)定充足的能量。本文設(shè)計(jì)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，SYBl2864C顯示屏需要5V電源；LPC2103的IO端口和模擬端口、MC33696和SP3232等需LPC2103的內(nèi)核電源需要1.8V。據(jù)此，系統(tǒng)需要三個(gè)電壓等級(jí)：5V、3.3V和1.8擇5V的外部電源作為總電源供給，通過電壓轉(zhuǎn)換電路把5V轉(zhuǎn)成3.3V和1.8V。5V電壓轉(zhuǎn)換到3.3V和1.8V可以通過開關(guān)穩(wěn)壓器或線性穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。4 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要涉及到兩個(gè)方面：胎壓測(cè)量發(fā)射模塊的軟件設(shè)計(jì)和中央接收處理模塊的軟件設(shè)計(jì)。前者主要是調(diào)用MPXY8300固件函數(shù)編寫

24、程序，實(shí)現(xiàn)測(cè)量胎壓信息和定時(shí)發(fā)送胎壓信息的功能；后者負(fù)責(zé)達(dá)到顯示胎壓信息和警報(bào)的目的，其中涉及到MC33696的配置以及LPC2103與MC33696通信的軟件設(shè)計(jì)，此外塊的軟件設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵。4.1胎壓測(cè)量發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)這部分的軟件設(shè)計(jì)主要關(guān)于MPXY8300芯片的配置，由于MPXY8300是飛設(shè)計(jì)的集傳感器和微控制器于一體的芯片，F(xiàn)reescale CodeWarrior5.0軟件提MPXY8300的程序模版，可以方便地對(duì)MPXY8300進(jìn)行編程。所以本CodeWarrior5.0開發(fā)工具來進(jìn)行該部分的軟件設(shè)計(jì)。4.1.1CodeWarrior50開發(fā)工具介紹CodeWarrior5.0是

25、由Freescale公司推出專門針對(duì)HC(S)08R進(jìn)行優(yōu)化過的開發(fā)軟件。MPXY8300芯片屬于Freescale HCS08系列的微控制器，在CodeWarrior5.0進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇MPXY8300工程模版。Codewa下功能：1項(xiàng)目管理器：為軟件開發(fā)人員處理高級(jí)別的文件管理，按照主要級(jí)別組織項(xiàng)目條目，確定每個(gè)構(gòu)建中特定文件的構(gòu)建順序及內(nèi)容；2文本編輯器：支持源代碼和其他文本文件的創(chuàng)建和處理。與其他的IDE功能完全集成 ；3搜索引擎：查找特定的文字串，替換查找到的文字等功能；4源碼瀏覽器：保存用于程序的符號(hào)數(shù)據(jù)庫，使用符號(hào)數(shù)據(jù)庫協(xié)助代碼瀏覽等；5構(gòu)建系統(tǒng)：使用編譯器從源代碼產(chǎn)生可

26、重新定位的目標(biāo)代碼，并使用鏈接器從目標(biāo)代碼生產(chǎn)最后的可執(zhí)行圖像。Codewarrior5.0的CC+編譯器工具包括業(yè)內(nèi)CC+語言編譯器、標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(STL)及各種其他工具；6源級(jí)別調(diào)試器：提供高性能窗口的源級(jí)別調(diào)試器，配備最新的高效率增強(qiáng)型圖形性能，縮短板的bringup和應(yīng)用開發(fā)時(shí)間；使用符號(hào)數(shù)據(jù)庫，提供源級(jí)別調(diào)試。4.1.2總體軟件設(shè)計(jì)流程MPXY8300的測(cè)量和發(fā)射可采用如下三種方法：1不斷循環(huán)測(cè)量并發(fā)射（可以軟件延時(shí)），缺點(diǎn)是芯片一直工作，功耗較大。2使能LF中斷，接收外界喚醒命令并產(chǎn)生LF中斷，在中斷函數(shù)里完成測(cè)量和數(shù)據(jù)無線發(fā)射。優(yōu)點(diǎn)是其工作由外界啟動(dòng)，功耗較?。蝗秉c(diǎn)是需用到額外的無

27、線接收電路，影響系統(tǒng)的EMC性能。3使用內(nèi)部的低功耗喚醒定時(shí)器。通過配置MPXY8300，可以讓其周期性(時(shí)間長(zhǎng)度可配置)的重啟或進(jìn)入中斷，在主函數(shù)里或中斷函數(shù)里完成測(cè)量和數(shù)據(jù)發(fā)射。采用這種方式既能有效減少發(fā)射端的功耗，又能不增加系統(tǒng)復(fù)雜度，提高EMC性能。本設(shè)計(jì)選擇使能低功耗喚醒定時(shí)器，并設(shè)計(jì)喚醒定時(shí)器為重啟模式，時(shí)間間隔為2s，在主函數(shù)里完成測(cè)量和發(fā)射。MPXY8300上電開始工作，初始化寄存器、定時(shí)器，配置射頻發(fā)送頻率等信息，然后測(cè)量輪胎壓力、溫度和加速度信息，并將這些信息以無線信號(hào)發(fā)射出去，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)射的總體流程如圖41所示。 開 始喂狗設(shè)置系統(tǒng)配置寄存器設(shè)置定時(shí)器2s喚醒，喚醒方

28、式為重啟配置射頻發(fā)射模塊發(fā)送射頻信號(hào)配置停止模式為Stopl進(jìn)入停止模式結(jié)束 圖41胎壓測(cè)量發(fā)射模塊流程圖為了節(jié)省電源使得系統(tǒng)能持續(xù)工作較長(zhǎng)時(shí)間，設(shè)置MPXY8300測(cè)量和發(fā)射一次無線數(shù)據(jù)后就進(jìn)入停止模式。MPXY8300有四種停止模式：第一，Stopl，大多數(shù)電路關(guān)包括RAM，以最大限度節(jié)省電力，電壓調(diào)節(jié)器處于待機(jī)狀態(tài)；第二，Stop2，大多數(shù)電路關(guān)閉，電壓調(diào)節(jié)器處于待機(jī)狀態(tài)，RAM維持在微供電狀態(tài)；第三，Stop3，所有內(nèi)部電路接通，電壓調(diào)節(jié)器處于具有微供電的待機(jī)狀態(tài)；第四，Stop4，所有內(nèi)部電路接通，并維持全功能電壓調(diào)節(jié)，以便以最快速度恢復(fù)。在這四種停止模式中，Stopl是四種模式中待

29、機(jī)功耗最低的，因此軟件設(shè)計(jì)中選擇Stopl來使系統(tǒng)降低功耗。4.2中央接收處理模塊軟件設(shè)計(jì)中央接收處理模塊軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)接收無線數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理的功能。本節(jié)的軟件設(shè)計(jì)包括MC33696的底層驅(qū)動(dòng)程序、LPC2103的分析處理函數(shù)和顯示程序等LPC2103屬于ARM7單片機(jī)系列，選擇ARM集成開發(fā)環(huán)境ADS(ARM Developer Suite)對(duì)其編程。4.2.1ADS開發(fā)環(huán)境介紹汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的軟件開發(fā)平臺(tái)是ARM集成開發(fā)環(huán)境ADS(ARMDeveloper Suite)，它是ARM公司推出的新一代包含了編輯工具、編譯工具和調(diào)試工具的一套完整的開發(fā)環(huán)境，其成熟版本是ADSl2。

30、ADSl2支持軟件調(diào)試及JTAG硬真調(diào)試，支持匯編、C和C+源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)功能強(qiáng)等特點(diǎn)。ARM常用開發(fā)工具主要有JTAG下載器和硬件仿真器。硬件仿真器的連接方式主要有USB方式、PCI方式和并口方式。產(chǎn)品開發(fā)時(shí)采用下載器，它與上位機(jī)采用并口相連，轉(zhuǎn)成JTAG接口連接到電路板。上位機(jī)運(yùn)行軟件與配合即可實(shí)現(xiàn)擦除FLASH和燒寫FLASH的功能。4.2.2中央接收處理總體流程中央接收處理模塊軟件設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能有：各個(gè)芯片的初始化、配置收發(fā)器MC33696、接收無線信號(hào)、無線數(shù)據(jù)校驗(yàn)和輪胎壓力信息顯示。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)定義了一個(gè)16位的狀態(tài)字Status Word，該狀態(tài)字存儲(chǔ)了接收發(fā)送狀

31、態(tài)、錯(cuò)誤標(biāo)志位等信息，方便后續(xù)程序判斷。系統(tǒng)上電運(yùn)行，首先初始化串口、SPI接口和LCD顯示屏，然后判斷當(dāng)前MC3369的狀態(tài)actualstate，系統(tǒng)處于循環(huán)判斷中。系統(tǒng)剛上電時(shí)初始狀態(tài)為NOTINIT對(duì)MC33696進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作，并將狀態(tài)更新為RFWORK，系統(tǒng)循環(huán)再次判actual state，若處于RF WORK狀態(tài)，檢查接收緩沖區(qū)有無數(shù)據(jù)，如果有，則接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。中央接收處理模塊的總體工作流程如圖4.3所示。開始串口初始化SPI初始化LCD顯示初始化判斷當(dāng)前狀態(tài)為NOT-INIT?狀態(tài)為RF-WORK？接收存儲(chǔ)區(qū)有數(shù)據(jù)？接收、處理數(shù)據(jù)初始化MC33696狀態(tài)設(shè)為RF-

32、WORK狀態(tài)更新為NOT-INITYNNNYY圖43中央接收處理流程圖5.調(diào)試 本章在完成硬件和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行模塊電路調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，并給出最終的調(diào)試結(jié)果。5.1模塊電路調(diào)試印制電路板焊接完成之后，要進(jìn)行電路板測(cè)試。首先通過萬用表電阻檔測(cè)量電源芯片輸出端是否存在短路現(xiàn)象；其次，觀察并測(cè)量電路板中二極管、三極管以及鉭電容的極性，防止接反；然后，分模塊進(jìn)行調(diào)試。5.1.1微控制器模塊調(diào)試微控制器是電路板的核心器件，首先要保證其能正常工作。本節(jié)從電源管理電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路對(duì)微控制器模塊進(jìn)行調(diào)試。1首先確保LMlll7.3.3芯片和LMlll7.1.8芯片周圍的四

33、個(gè)鉭電容正負(fù)反后，給中央接收處理模塊提供5V電源，用萬用表測(cè)量這兩個(gè)芯片的輸出端Vo。電壓，應(yīng)分別為3.3V和1.8V左右。用示波器觀察這兩個(gè)電源輸出端的紋波。紋波太大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，一般其峰峰值不超過l00mV。本模塊電源輸出紋波峰峰值在80mV左右，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。2LPC2103使用外部11.0592MHz的晶振，用示波器測(cè)量晶振兩端，看到顯示頻率為11.0592M的正弦波，表明晶振已起振。3復(fù)位電路需要通過小燈閃爍程序來調(diào)試。將小燈閃爍的程序下載到電路板上運(yùn)行，小燈正常閃爍。短接復(fù)位電路上的跳線JP2，小燈不亮，斷開JP2，小燈重新閃爍，表明復(fù)位電路已經(jīng)起作用。根據(jù)LP

34、C2103的手冊(cè)，除reset復(fù)位引腳之外，PO.14對(duì)也有影響。系統(tǒng)復(fù)位后，管腳P0.14上立即出現(xiàn)的低電平被看作是一個(gè)啟動(dòng)ISP命令處理器的外部硬件請(qǐng)求。由于復(fù)位后，LPC2103的IO管腳電平處于不確定狀態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠復(fù)位，需在P0.14引腳上接上拉電阻，以保證該引腳始終保持高電平，防止復(fù)位后系統(tǒng)進(jìn)入ISP狀態(tài)。6.結(jié)論本文以汽車輪胎安全為背景，設(shè)計(jì)了一種直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由胎壓測(cè)量發(fā)射模塊和中央接收處理模塊構(gòu)成。胎壓測(cè)量發(fā)射模塊采用集控制器和傳感器于體的MPXY8300芯片，來測(cè)量輪胎壓力、溫度等信息，數(shù)據(jù)在芯片內(nèi)部經(jīng)過曼徹斯特編碼和FSK調(diào)制后，通過PCB天線向中央接收

35、處理模塊發(fā)送。中央接收處理模塊由微控制器模塊、無線收發(fā)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和顯示屏模塊組成，實(shí)現(xiàn)了接收胎壓測(cè)量發(fā)射模塊發(fā)送的無線信號(hào)的功能，并利用MC33696芯片內(nèi)部的RF電路對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后將解碼解調(diào)后的數(shù)據(jù)傳送給微控制器LPC2103。LPC2103處理數(shù)據(jù)后將各胎的壓力值顯示在顯示屏上，使駕駛員隨時(shí)了解每個(gè)輪胎的壓力信息，確保行車安全。本文的工作主要包括以下幾點(diǎn)：1根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)核心器件進(jìn)行選型，確定模塊間的數(shù)據(jù)通信方式。2在提出系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和選定核心器件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，完成了各個(gè)模塊及天線部分的原理圖和PC

36、B設(shè)計(jì)。3設(shè)計(jì)胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件程序。胎壓測(cè)量發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了每隔2s發(fā)送一幀胎壓數(shù)據(jù)的功能；中央接收處理模塊，在完成MC33696驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)接收程序和數(shù)據(jù)顯示程序。本文設(shè)計(jì)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量胎壓信息并將其顯示在顯示屏上的功能，進(jìn)一步的工作可從下面幾個(gè)方面展開，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無源化研究。從胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)來看，無源化是日后需要研究的重要課題。它可以解決因鋰電池供電而帶來的使用壽命問題。硬件方面，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)中央接收處理模塊的天線，減小天線的尺寸，合理利用電路板資源。此外，本文用顯示的方式來提醒駕駛員輪胎壓力有異常，以后可設(shè)計(jì)相應(yīng)的語音電路，讓駕駛員更加快捷

37、方便的了解胎壓狀況。軟件方面，本文設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)了基本功能，下一步可根據(jù)產(chǎn)品需求來完善軟件設(shè)計(jì)。工藝材料方面，本文設(shè)計(jì)的胎壓測(cè)量發(fā)射模塊還未從產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面來考慮，以后可從防水、防鹽霧、抗振動(dòng)、抗沖擊、電磁兼容等因素來進(jìn)行模塊的工藝設(shè)計(jì)7.參考文獻(xiàn)1秦拯，胡建國，劉志賢汽車胎壓智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)北京：科技大學(xué)出版社20082魏彥軍淺析汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)TPMS汽車電器，天津：機(jī)械工業(yè)出版社20063耿福玲無線輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中央接收模塊的軟件設(shè)計(jì)哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)20094劉福海，孫春玲TPMS發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析科技信息(學(xué)術(shù)版)，20085劉元賓汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)的研究.天津：天津大學(xué)，2007.6高先進(jìn)，王國林，應(yīng)世洲輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)上海：輪胎工業(yè)出版社20077孫春玲基于輪胎模型的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究山東：山東理工大學(xué)2007.8魯照權(quán)，沈俊峰汽車輪胎壓力監(jiān)