輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師:專業(yè)：班級：中國20"年12月目錄目錄I前言II1總體設(shè)計(jì)及主要元器件選擇11.1輪胎模塊11.1.1傳感器11.1.2微處理器21.1.3發(fā)射芯片21. 2監(jiān)視器模塊21.2.1接收芯片21.2.2微處理器21. 2. 3 LCD 顯示器32 硬件電路設(shè)計(jì)32. 1輪胎模塊電路32. 2監(jiān)視器模塊電路43軟件設(shè)計(jì)43. 1通信協(xié)議53. 1.1數(shù)據(jù)載波波形53. 1. 2數(shù)據(jù)幀格式53.2輪胎模塊的程序設(shè)計(jì)63.3監(jiān)視器模塊的程序設(shè)計(jì)6結(jié)論8前言隨著汽車越來越多地進(jìn)入家庭，汽車行駛的安全問題也成為人們越來越關(guān)注的話 題。汽車輪胎壓力監(jiān)測系

2、統(tǒng)(TPMS山此應(yīng)運(yùn)而生，它是繼ABS安全氣囊后第3個重 要的汽車安全電子產(chǎn)品，主要用于在汽車行駛過程中對輪胎氣壓、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)自動 監(jiān)測，并對出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，是駕車者和乘車人員的生命安全保障預(yù)警 系統(tǒng)。目前TPMS的實(shí)現(xiàn)形式主要有兩種：基于車輪轉(zhuǎn)速的TPMS( Wheel-SpeedBased TPMS, 乂叫“間接式 TPMS'；基于壓力傳感器的 TPMS (Pressure-SensorBased TPMS), 乂叫直接式TPMSo間接式TPMS是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器比較車 輪之間的轉(zhuǎn)速差別，來確定輪胎壓力的變化，這種方式現(xiàn)在用得不多。直接式TPMS 是在每

3、個輪胎內(nèi)使用壓力傳感器和溫度傳感器，然后把釆集到的壓力和溫度信號通過 有線或無線的方式傳送到汽車駕駛室內(nèi)的主控制器進(jìn)行處理，訂前大多數(shù)TPMS采用 無線的方式進(jìn)行壓力和溫度數(shù)據(jù)的傳送?，F(xiàn)在直接式TPMS用得比較廣泛。在這種方 式中，輪胎內(nèi)輪胎模塊一旦裝上，電池就不斷地工作，因此輪胎模塊低功耗和車輪高 速轉(zhuǎn)動時(shí)射頻接收靈敬度以及噪聲抑制就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。在此原則之下， 本文提出了一種新的TPMS設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所開發(fā)的系統(tǒng)工作可靠，能夠 達(dá)到安全預(yù)警的目的。電氣工控制與町編程控制器論文1. 總體設(shè)計(jì)及主要元器件選擇輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS的工作是通過射頻收發(fā)來實(shí)現(xiàn)的，山輪胎模塊

4、和 監(jiān)視器模塊組成。圖1為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。傳感器“ 輪胎模塊嵌入式微 處理器液晶高頻接收顯嚇器模塊鍵盤監(jiān)視器模 塊圖1 TPMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖表1 MPXY8020A 7：件模式soS1工作模式01待機(jī)（耗電600 nA）01測量壓力（時(shí)間500 ms）10測量溫度（時(shí)間50011-數(shù)摒輸出1. 1輪胎模塊輪胎模塊山傳感器、微處理器、發(fā)射芯片、電池和天線組成。因?yàn)榇四K要嵌入 到輪胎內(nèi)，所以模塊的超小型和節(jié)電設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的問題。傳感器選擇Motorola公司的壓力/溫度傳感器MPXY8020A它是一種表面微機(jī) 械型電容性微機(jī)電系統(tǒng)（MSM）壓力傳感器。其特點(diǎn)有：專門的TPMS氣壓和溫度 傳感器、

5、CMOS：藝、低功耗、3 V工作電壓、帶有MCI喚醒功能的集成低頻振蕩 器、8位數(shù)字輸出；全部功能集成在單一芯片上，降低了功耗，適合條件要求苛刻的 電池供電系統(tǒng)；測壓范圉為一40C+ 125C,測溫范圍為0637kPa；它具有4種工 作模式，即待機(jī)/復(fù)位、壓力測量、溫度測量和數(shù)據(jù)輸出。用戶可以通過設(shè)置SO和 S1引腳選擇相應(yīng)的模式，如表1所列。由表1可以發(fā)現(xiàn)，2MPXY8020在不同的工作模式下，需要的工作電路不同，從而達(dá)到降低功耗的U 的。1.1.2微處理器微處理器選擇。Micro-chip公司的：PIC16F636其主要特點(diǎn)有： 高性能RISC技術(shù)。僅需學(xué)習(xí)35條指令，這給程序的編寫、調(diào)試

6、、修改帶來極大 的便利，便于軟件模擬SPI串口及開漏極引腳。 極低的功耗水平。在1 MHz時(shí)鐘頻率下工作電流約為100卩A而在休眠悄況下 的典型工作電流僅為1 nA。 工作溫度范圍寬。汽車級溫度范圍為一 40 C125 C。 徹底的保密性。PIC以保密熔絲來保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，其 他人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。目前，PIC釆用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的 可能性極小。 自帶看門狗定時(shí)器。為系統(tǒng)提供了惡劣環(huán)境下自復(fù)位的功能，提高程序運(yùn)行的 可靠性。1.1.3發(fā)射芯片發(fā)射芯片選擇Maxim公司的MAX1479其特點(diǎn)有：采用微型3 mmX 3 mm的 16引腳QFN寸裝，3 V工作電壓

7、，汽車級溫度范圍（一40C十1250 .快速開 啟振蕩器（200卩s）、自帶鎖相環(huán)PLL和高效功率放大器，支持ASK00!和FSK調(diào) 制方式，超低功耗（常溫下待機(jī)電流僅為0.2 nA）,可調(diào)節(jié)的FSK偏移,可編程的時(shí)鐘 輸出。1.2監(jiān)視器模塊監(jiān)視器模塊主要山接收芯片、微處理器、LCD顯示器和按鍵組成。1.2.1接收芯片接收芯片選擇Motorola公司的MC3359 （Remeo2,它是一個單片集成射頻接 收器。其特點(diǎn)有：釆用LQFP2 4封裝，快速喚醒（ImS,內(nèi)含660kHz的中頻帶通 濾波器，完整的壓控振蕩器（VC0,可消除鏡像的混頻器，自動對接收到的曼徹斯特 編碼解碼（FSK工作模式），

8、曼徹斯特編碼時(shí)鐘再生電路SPI接口，可用于設(shè)計(jì) 433. 92 MHz 的 00«FSK 接收電路。1.2.2微處理器電氣工控制與町編程控制器論文監(jiān)視器模塊的微處理器選擇Motorola公司的48腳MC68HC908GZ10g稱“GZ16 ） o它是Freescale公司的一款釆用68HC08架構(gòu)的8位微控制器，資源齊 全，尺寸小，適合監(jiān)控器模塊的功能要求以及汽車的運(yùn)行環(huán)境。其主要資源包括：1 個CAN莫塊、1個SPI模塊、1個ESCI模塊、2個雙通道16位定時(shí)器接口模塊、 8路10位A/D通道、1個基本時(shí)鐘模塊、37個通用輸入輸出引腳、8位鍵盤喚醒端 口。該控制器釆用PLL鎖相環(huán)技

9、術(shù)，能夠產(chǎn)生最高8MHZ勺總線頻率。1.2. 3 LCD顯示器LCD顯示器選擇三星公司的點(diǎn)陣式液晶顯示器LG192641它具有如下特點(diǎn)： 192X64點(diǎn)陣，可視區(qū)范圉大（外形尺寸113.0mM71.0mM9.5mm可視區(qū)為 97.0mmX48.0mm）,內(nèi)置液晶控制驅(qū)動器，單5 V供電/雙電源供電可選，工作 溫度范圉寬（-20C+70C）,釆用LED背光且EL背光可選，強(qiáng)光下顯示效果好。2 硬件電路設(shè)計(jì)2. 1輪胎模塊電路圖2所示為輪胎模塊電路原理圖。模塊安裝在輪胎氣門芯上，曲 3V鋰電池 供電。射頻芯片的晶振頻率為13. 56 MHz發(fā)射方式為FSK RF頻率為433. 92 MHz PIC

10、16F636使用內(nèi)部晶振，抗干擾能力強(qiáng)。采用曼徹斯特編碼提高數(shù)據(jù)射的可靠 性。晶振頻率的計(jì)算公式3Vn 111rr1DIN12 2VDD t! °DE： V| MODEDEVO3 MAX 1479CLKOENABLECLKIP1C16F65&VSSRA5RAORA4RAI'RAIRA2RC5RCO14ToICD2IZZFVSS DATOLT A工工S2輪胎棋塊電路原理32. 2監(jiān)視器模塊電路圖3所示為中央接收處理模塊的電路原理。數(shù)據(jù)管理器支持MC3359與GZ16控 制器通信，可以鍵盤輸入輪胎壓力的閾值，各個輪胎的壓力值與溫度值通過液晶顯示 更加直觀。當(dāng)輪胎充氣壓力出

11、現(xiàn)異常時(shí)，蜂鳴器與發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警，由液晶 屏上相應(yīng)的輪胎圖像閃爍提VCCDIGSCLKMOSlvccLIV1 ；b017 J6VCCLNA3WASrDOX-sGXDLNAKTfMC335WMES.QZU axdlRETBGNDSUBOWO一 B21TT 3 di qklrzfenPIE 冊 1r-21丄丄w6i 7lIt- 22 1 AU 6 FTAHAPTAFTC 厲5 0. la VS421昱313flLCDVDDA DFTB3 26PTB6PTB7E3中央監(jiān)規(guī)署模塊電路3軟件設(shè)計(jì)輪胎模塊是一個對功耗極其敬感的系統(tǒng)。它采用體積和重量都受限制的電池供電， 且電池的更換和輪胎模塊的更換

12、都很不方便，所以在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，如何優(yōu)化輪胎 模塊的程序算法來降低系統(tǒng)的功耗成為本設(shè)計(jì)重點(diǎn)需要解決的問題。監(jiān)視器模塊采用汽車蓄電池供電，功耗不是主要問題。其軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)的正確處理、直觀顯示和異常報(bào)警。電氣工控制與町編程控制器論文3. 1通信協(xié)議為了實(shí)現(xiàn)輪胎模塊和監(jiān)視器模塊之間的單向無線數(shù)據(jù)通信，必須制定一組通信雙方 都遵守的通信協(xié)議。3. 1.1數(shù)據(jù)載波波形433.92-7AMHz7Al/(Data Rate)本設(shè)計(jì)中，TPMS勺信號采用曼徹斯特編碼，調(diào)制方式為FSK它的“1”和“（T位對 應(yīng)的頻率變化如圖4所示（fdev為頻率偏移值）。7A=l/(Data Rate)圖4

13、曼徹斯特編碼FSK載波波形3. 1. 2數(shù)據(jù)幀格式輪胎模塊將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送給監(jiān)視器模塊。接收端MC33594規(guī)定，當(dāng)采 用FSK調(diào)制時(shí)，數(shù)據(jù)幀的組成是：4位前同步（preamble）碼、8位ID, 乂是4位 前同步碼（MC33594K定在報(bào)頭前面必須有4位前同步碼）、4位報(bào)頭（Header） 用戶數(shù)據(jù)和2位結(jié)束碼（EOM,其中，前同步碼規(guī)定為4位連續(xù)曼徹 斯特編碼的“1”或“0”，用來恢復(fù)同步時(shí)鐘；ID和報(bào)頭的數(shù)值是可設(shè)定的，曲MCI預(yù)先 寫人MC33594的配置寄存器中（本設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)的ID為十六進(jìn)制數(shù)B&報(bào)頭為 “0110”）；報(bào)頭標(biāo)識用戶數(shù)據(jù)的開始，用戶數(shù)據(jù)緊跟其后，沒有任何

14、延遲；EOMS2 位非歸零編碼（NRZ的連續(xù)的“1”或“0”組成。用戶數(shù)據(jù)前面的20位碼串是山射頻接 收芯片規(guī)定的，稱為“前導(dǎo)碼”。本設(shè)計(jì)的前導(dǎo)碼為十六進(jìn)制FB8F6數(shù)據(jù)幀發(fā)送必須由 EOM吉束，而不能簡單地將射頻信號終止。鑒于輪胎的壓力和溫度值可能長時(shí)間處于 基本不變的狀態(tài)，在這種情況下發(fā)送溫度、壓力值的必要性不大，因此本設(shè)計(jì)采用了 長、短幀結(jié)合的數(shù)據(jù)發(fā)送方案。具體幀格式如下：長幀前導(dǎo)輪胎模塊ID狀態(tài)字壓力值溫度值校驗(yàn)和結(jié)束碼20位32位8位8位&位2位短幀前導(dǎo)輪胎模塊ID狀態(tài)字校驗(yàn)和結(jié)束碼20位32位8位8位2位63. 2輪胎模塊的程序設(shè)計(jì)在輪胎模塊主程序設(shè)訃中，充分利用PIC16

15、F636的低功耗模式中STOP莫式是 低功耗算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。PIC16F636上電復(fù)位并進(jìn)行初始化后進(jìn)入待機(jī)模式（即 STOP莫式）。上電復(fù)位后，首先設(shè)置傳感器工作在STANDB模式下，然后MAX147進(jìn)入STOP莫式。在此種模式下，OUTPU引腳每3 s輸出一次下降沿，觸發(fā) PIC16F636的外部中斷，從而喚醒PIC16F636,使其脫離STOP犬態(tài)，進(jìn)入中斷服務(wù)程 序。在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)射控制處理。如果采集值是一個新的最大或最小值（處于發(fā)送周期內(nèi)）就存入RAM否則就把計(jì)數(shù)器加1再返回 停止模式。在連續(xù)10次喚醒后（30 s ）,模塊把它的狀態(tài)發(fā)送給接收機(jī)。模塊分析存 儲的胎

16、壓最大值和最小值間的差異，如果這個差值超過了存儲在ROM中的最大差值 （maX,模塊111'就進(jìn)入快速發(fā)送模式，每隔800900 ms發(fā)送255個數(shù)據(jù)幀。 MAX1479使用曼徹斯特編碼方式來發(fā)送射頻數(shù)據(jù)。發(fā)射完成之后再重新允許外部中 斷，讓傳感器進(jìn)入STANDB模式，PIC16F636 MAX1479同時(shí)進(jìn)入STOP莫式，以降 低功耗，延長電池的使用壽命。PIC16F636 I作在內(nèi)部晶振模式下，可以增加其抗干擾能力。傳感器的 RST信號每隔52 min復(fù)位1次 PIC16F636,以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的工作可鼎性。輪胎模塊主程序流程如圖5所示。圖5輪胎模塊主程序謊程3. 3監(jiān)視器模塊的程序設(shè)計(jì)監(jiān)視器模塊的程序要實(shí)現(xiàn)的主要功能是： 監(jiān)視器模塊的初始化；對射頻接收芯片的控制; 對接收到的輪胎狀態(tài)信息進(jìn)步的數(shù)據(jù)處理 （包括數(shù)據(jù)顯示、異常狀態(tài)報(bào)警等）以及人機(jī)界 面的參數(shù)設(shè)定。監(jiān)視器模塊主要包括主程序設(shè)計(jì)、 數(shù)據(jù)接收/程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)3個部分。監(jiān)視器模塊的主程序流程如圖 6所示。GZ16內(nèi)部的時(shí)基模