自動(dòng)化儀表課程設(shè)計(jì)-輪胎胎壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(課程設(shè)計(jì))

1、自動(dòng)化儀表大作業(yè)輪胎胎壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線檢測(cè)胎內(nèi)壓力和溫度，具有實(shí)時(shí)液晶顯示及報(bào)警功能學(xué)校：洛陽(yáng)理工學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化日期：2013年5月12日摘 要:輪胎壓力監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(Tire PressureMonitoring System)(TPMS)是汽車安全領(lǐng)域重要電子裝置,近年來(lái)已開始獲得廣泛應(yīng)用,但傳統(tǒng)的TPMS產(chǎn)品多為內(nèi)置式,安裝在輪胎內(nèi),安裝和維護(hù)時(shí)需要拆卸輪胎造成很大不便,同時(shí)輪胎里的金屬輪輞對(duì)位于胎內(nèi)的壓力傳感器和無(wú)線發(fā)射裝置有很強(qiáng)的屏蔽作用,信號(hào)衰竭很快,要保證信號(hào)傳輸?shù)轿挥隈{駛室內(nèi)的接收器,必須提高發(fā)射功率,從而大大縮短發(fā)射器的電池使用壽命。針對(duì)這些技術(shù)問(wèn)題,提出了一種新型外置直

2、接式數(shù)字胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它的胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)核心器件MCU選用Infineon的專用壓力處理器芯片SP30,該芯片內(nèi)置MEMS壓力傳感器可通過(guò)外連氣門芯直接測(cè)量胎內(nèi)氣壓,再通過(guò)無(wú)線方式與上位接收器進(jìn)行無(wú)障礙無(wú)線傳輸通信,避免了信號(hào)屏蔽,延長(zhǎng)了電池和產(chǎn)品的使用壽命以及安裝成本。給出了新型外置直接式TPMS產(chǎn)品的具體硬件設(shè)計(jì)、軟件流程和通信協(xié)議。測(cè)試表明該系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)傳輸可靠、抗干擾能力強(qiáng)、輪胎位置識(shí)別準(zhǔn)確、反應(yīng)靈敏、安裝與維護(hù)方便及組態(tài)靈活等特點(diǎn)、有著廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳輸;胎壓監(jiān)測(cè);壓力傳感;編碼;TPMS 胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)能在汽車行駛期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)氣壓變化,并對(duì)胎壓和溫

3、度異常進(jìn)行報(bào)警,有效避免爆胎事故的發(fā)生。目前,TPMS系統(tǒng)分為兩種類型: (1)間接式TPMS通過(guò)汽車ABS的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別,以監(jiān)視胎壓變化,這種方式可靠性不高; (2)直接式TPMS利用安裝在每個(gè)輪胎上的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量胎壓,并與駕駛臺(tái)的監(jiān)視器無(wú)線通信,實(shí)時(shí)顯示每個(gè)輪胎內(nèi)的氣壓,這種方式簡(jiǎn)單可靠。但是,許多汽車廠商只是在生產(chǎn)新車時(shí)采用內(nèi)置安裝方法配置直接式TPMS,這樣不可能從根本上解決保有車輛加裝TPMS的問(wèn)題,安全隱患依然存在1-2。直接式輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓。很明顯,直接傳感系統(tǒng)更有效,是當(dāng)前TPMS的主流和發(fā)

4、展趨勢(shì)。直接式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)又分為主動(dòng)式(Active)和被動(dòng)式(Passive)兩種。被動(dòng)式輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器是采用聲表面波(SAW)來(lái)設(shè)計(jì)的,雖然此技術(shù)不用電池供電,但是它需要將轉(zhuǎn)發(fā)器(Transponder)整合至輪胎中,這牽涉到各輪胎制造商需建立共同的標(biāo)準(zhǔn)才有可能。利用該技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品由于通訊距離短,需要在每個(gè)輪胎旁安裝發(fā)射天線,所以應(yīng)用范圍受到限制3。主動(dòng)式TPMS是采用在硅基上利用MEMS工藝制作電容式或者壓阻式壓力傳感器,將壓力傳感器安裝在每個(gè)輪胎上,通過(guò)無(wú)線射頻的方式將信號(hào)傳送出去,安裝在駕駛室里的無(wú)線接收裝置接收到該壓力信號(hào),經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)處理,顯示出當(dāng)前的輪胎壓力。

5、主動(dòng)式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟,開發(fā)出來(lái)的模塊可適用于各廠牌的輪胎4。本文介紹一種新型外置直接式數(shù)字胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)的胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在輪胎氣嘴上,直接監(jiān)測(cè)胎內(nèi)氣壓,再通過(guò)射頻信號(hào)傳送至駕駛室內(nèi)的上位接收機(jī),實(shí)時(shí)顯示每個(gè)輪胎內(nèi)的瞬壓,當(dāng)輪胎氣壓不正常時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào),保障行車安全。該系統(tǒng)在通信可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì),填補(bǔ)國(guó)內(nèi)TPMS后裝市場(chǎng)的空白,有著廣泛的應(yīng)用前景。1 TPMS系統(tǒng)原理和總體結(jié)構(gòu)TPMS系統(tǒng)主要由胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和接收機(jī)兩部分構(gòu)成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1、圖2所示。圖1中,壓力傳感器采集輪胎壓力和溫度信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換,MCU獲得壓力值和溫度數(shù)據(jù),遵循特定的通訊

6、協(xié)議進(jìn)行編碼后,再由RF發(fā)射芯片和天線將編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)射出來(lái);圖2中,安裝在駕駛室內(nèi)的接收機(jī)接收到胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的高頻信號(hào),經(jīng)去噪濾波后,射頻接收芯片解調(diào)出該信號(hào),送至接收機(jī)MCU,接收機(jī)MCU再遵循特定的通訊協(xié)議,將接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼,讀取各個(gè)輪胎的方位和對(duì)應(yīng)的壓力、溫度值,然后進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和顯示,并對(duì)故障輪胎發(fā)出實(shí)時(shí)報(bào)警。2 TPMS系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2. 1 胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn) 胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用輪胎氣嘴上安裝的外置式安裝方式,所以要求胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)小型化,傳感器采集精確、響應(yīng)快,功耗低,無(wú)線通信效果好,性能可靠。為此,胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的主控芯片采用Infineon公司生產(chǎn)的SP305,它是一款

7、嵌入式RISC處理器,采用8位哈佛結(jié)構(gòu),二級(jí)流水線指令,快速的執(zhí)行時(shí)間大大降低功耗,適用于電池供電的設(shè)計(jì)。SP30內(nèi)置傳感器硬模、看門狗定時(shí)器、多通道15 bitADC和兩個(gè)片上振蕩器,支持空閑掉電等多操作模式,支持低頻喚醒(Low FrequencyWakeup)和內(nèi)部時(shí)鐘喚醒(In-tervalTimerWakeup)中斷機(jī)制等等,因?yàn)槲⒖刂破魍庠O(shè)功能全面,所以硬件設(shè)計(jì)電路非常簡(jiǎn)單,從而提高了胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性。胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖電路如圖3所示。圖3 胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖壓力傳感器芯片內(nèi)部將兩個(gè)低成本的硬模直接封裝在一起,通過(guò)芯片內(nèi)的增壓管直接測(cè)壓力和溫度,芯片內(nèi)部嵌入低噪聲放

8、大器和ADC,采集精度高。MCU使用固件(Fireware)直接控制AD轉(zhuǎn)換和讀取胎內(nèi)氣壓值與溫度。MCU使用軟件中斷方式調(diào)用固件,以執(zhí)行ROM中的LIB函數(shù), LIB函數(shù)中大量的特殊循環(huán)控制和循環(huán)移位指令優(yōu)化了代碼, SYS(軟件中斷)的機(jī)制隱藏ROM的字節(jié)傳送,使得固件在應(yīng)用程序中不可見,大大簡(jiǎn)化了固件讀取模擬量的軟件編寫工作。獲取輪胎壓力值和溫度后,胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)射頻發(fā)射芯片向接收機(jī)發(fā)送報(bào)文,本設(shè)計(jì)中射頻發(fā)射芯片選用Micrel公司生產(chǎn)的MICRF1126,其操作電壓范圍為1. 83. 6 V,適用于電池供電;發(fā)射頻率范圍為380MHz-450MHz,輸出功率最大可達(dá)+10 dBm,可

9、選擇調(diào)制ASK或FSK的編碼數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)(ASK, 433. 92 MHz,曼徹斯特編碼數(shù)據(jù))傳輸率高達(dá)50 kbit/s。該芯片功能強(qiáng)大,射頻信號(hào)傳輸可靠、抗干擾能力強(qiáng)。為保證胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的可靠運(yùn)行, SP30使用芯片內(nèi)部的看門狗定時(shí)器,它能阻止系統(tǒng)故障和掉電時(shí)的電池放電。在胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),看門狗定時(shí)器溢出, SP30強(qiáng)制進(jìn)入掉電模式。進(jìn)入掉電模式后,內(nèi)部時(shí)鐘開始計(jì)數(shù),直至計(jì)數(shù)溢出,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)RESET中斷復(fù)位微處理器(也可通過(guò)低頻喚醒直接產(chǎn)生一個(gè)RESET中斷復(fù)位微處理器)。胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)預(yù)留有一個(gè)Monitor接口,既可用于芯片編程,又可在線監(jiān)控胎內(nèi)氣壓、溫度、電量等模擬量的采集和

10、校驗(yàn)精度,調(diào)試方便靈活。2. 2 TPMS接收機(jī)TPMS接收機(jī)安裝在汽車的駕駛室內(nèi),而胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在輪胎上,行駛過(guò)程中節(jié)點(diǎn)在不停的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),還受到氣候影響變化,所以兩者之間的通信環(huán)境非常惡劣,這就要求TPMS接收機(jī)必須能夠高靈敏度地響應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的射頻信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用Micrel公司生產(chǎn)的MICRF2117作為射頻接收芯片和Mirco-chip公司的生產(chǎn)PIC16F8868作為接收機(jī)處理器。接收機(jī)硬件電路圖如圖4所示。圖4 接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)框圖MICRF211僅需要很少量的外圍器件就能構(gòu)成一個(gè)完整的射頻接ASK或OOK的編碼數(shù)據(jù),MICRF211芯片抗干擾能力強(qiáng),接收效果非常出眾線,接收靈敏度

11、可達(dá)-110 dBm。PIC16F886是一款的高性能RISC微控制器,處理速度快, 200ns執(zhí)行一條指令,芯片內(nèi)置高耐用性閃存單元、增強(qiáng)型USART模塊、看門狗定時(shí)器和主同步串行口(Master Synchronous Serial Por,t MSSP)模塊,功能強(qiáng)大,抗干擾晶顯示器實(shí)時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)方位、壓力值、溫度和電量狀態(tài),使用菜單式界警胎壓、巡檢頻率、功能模式、操作優(yōu)先級(jí)等),這些參數(shù)通過(guò)PIC16F886的MSSP模塊保存在EEPROM芯片24 LC169里。為保證接收機(jī)可靠運(yùn)行,PIC16F886使用芯片內(nèi)部的看門狗定時(shí)器,在處理器發(fā)生故障,看門狗定時(shí)器溢出,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)復(fù)位微

12、處理器。芯片還留有ICSP調(diào)試口,可以編程和在線監(jiān)測(cè)處理器的運(yùn)行,調(diào)試簡(jiǎn)單方便。由于接收機(jī)和胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間采取433.92MHz載頻進(jìn)行信號(hào)傳輸,因此在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循高頻電路設(shè)計(jì)規(guī)則10-11,對(duì)發(fā)射和接收天線也應(yīng)仔細(xì)匹配與調(diào)整12。接收機(jī)和與氣門嘴相連的胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖如圖5和圖6所示。圖5 接收機(jī)和傳感發(fā)射器實(shí)物圖圖6 胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖3 TPMS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及通信協(xié)議數(shù)字式TPMS系統(tǒng)軟件分為胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件和接收機(jī)軟件,其中每個(gè)胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件控制策略和通信協(xié)議是保障TPMS系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵13。3. 1 胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)及通信協(xié)議 胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖7所示:首

13、先初始化微控制器SP30的寄存器的參數(shù),看門狗定時(shí)器打開, MCU直接進(jìn)入運(yùn)行模式,先測(cè)量輪胎壓力和胎內(nèi)溫度,遵循特定的通訊協(xié)議進(jìn)行校驗(yàn)碼計(jì)算和數(shù)據(jù)幀編碼,然后無(wú)線發(fā)送N次相同的數(shù)據(jù)幀;發(fā)送完成后,延時(shí)等待看門狗定時(shí)器溢出,CPU進(jìn)入掉電狀態(tài); 2 min后,SP30內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)喚醒,CPU從掉電模式進(jìn)入運(yùn)行模式,如此循環(huán)反復(fù)執(zhí)行。圖7 胎壓監(jiān)測(cè)模塊軟件流程圖胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與接收機(jī)通信協(xié)議是通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)幀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)向接收機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀采用固定的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度進(jìn)行,具體數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。表1 TPMS系統(tǒng)無(wú)線通信數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)幀7 6 5 4 3 2 1 0字節(jié)1 Unused電量值ID

14、12 ID11 ID10 ID9 ID8字節(jié)2 ID7 ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1 ID0字節(jié)3壓力值字節(jié)4溫度值字節(jié)5校驗(yàn)碼3.2 TPMS接收機(jī)軟件設(shè)計(jì)接收機(jī)的軟件流程如圖8所示,TPMS接收機(jī)上電復(fù)位后,初始化PIC16F886的內(nèi)部寄存器,等待接收數(shù)據(jù)幀;接收到數(shù)據(jù)幀后,先判斷數(shù)據(jù)幀是否有效,如果校驗(yàn)不對(duì),則將數(shù)據(jù)丟棄;如果數(shù)據(jù)幀是有效的,再判斷接收機(jī)是否處于自學(xué)習(xí)狀態(tài),如果處于自學(xué)習(xí)狀態(tài),則調(diào)用自學(xué)習(xí)模塊,將ID信息保存至接收機(jī)內(nèi),如果處于普通工作狀態(tài),則實(shí)時(shí)顯示壓力值和溫度,如發(fā)生故障就報(bào)警。為解決輪胎位置識(shí)別問(wèn)題和保證安裝方便,胎壓圖8 接收機(jī)軟件流程圖監(jiān)測(cè)節(jié)

15、點(diǎn)外殼貼有LF(LeftFront)左前輪、RR(RightRear)右后輪等標(biāo)簽,而且接收機(jī)處在自學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí),必須將液晶顯示的輪胎位置和標(biāo)簽對(duì)應(yīng),自學(xué)習(xí)完成后勿需再做修改。實(shí)踐證明,采用接收機(jī)自學(xué)習(xí)方式組態(tài)靈活,完全能解決TPMS系統(tǒng)輪胎位置識(shí)別問(wèn)題。4 胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在輪胎外面的氣嘴上,稱為/外置式0安裝方式,因此節(jié)點(diǎn)的體積小、重量輕、防漏氣和安全防盜是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9 胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖具體的胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝過(guò)程為:把胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的A部位旋入到輪胎的氣門嘴上,空心柱頂開氣嘴的心軸,氣體溢出,通過(guò)空心柱中心孔傳到

16、密封墊上部的氣室中,再由氣室中的壓力傳感器芯片檢測(cè)胎壓;胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的外殼和底蓋密閉,保證傳感器芯片、線路板、電池和天線的防塵防水和節(jié)點(diǎn)模塊的防盜功能。設(shè)計(jì)中采用可更換電池的方法和外置式的安裝第9期楊 旸,閔云龍等:基于MEMS壓力傳感器的外置式數(shù)字胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù),即使電池電量耗盡或者更換輪胎,節(jié)點(diǎn)模塊也能反復(fù)使用,與同類TPMS產(chǎn)品相比,極大提高了產(chǎn)品的使用壽命,也大大降低了成本。5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果5.1 操作臺(tái)模擬測(cè)試在數(shù)字TPMS系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)完成以后,在操作臺(tái)上進(jìn)行發(fā)射和接收系統(tǒng)的模擬測(cè)試,從示波器上讀取發(fā)射和解調(diào)數(shù)據(jù)幀,如圖10所示,其中圖10 (a)、10(b)是經(jīng)過(guò)調(diào)制的發(fā)射數(shù)

17、據(jù)幀, 10(c)是接收到的相應(yīng)解調(diào)數(shù)據(jù)。圖10 5.2 TPMS車載測(cè)試TPMS車載測(cè)試為高速路面,汽車行駛速度為60120 km/h,環(huán)境溫度為2528e,胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送兩幀數(shù)據(jù),每次時(shí)間間隔為2 min,在6 h內(nèi),氣壓和溫度數(shù)據(jù)接收數(shù)在330幀以上,信號(hào)接收可靠度超過(guò)91%,已完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)定要求。5.3 可靠性測(cè)試數(shù)字TPMS系統(tǒng)安裝在臺(tái)架上,并接入TPMS專用數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行可靠性測(cè)試。環(huán)境溫度為2230e,4個(gè)輪胎的充氣氣壓值分別為左前胎32.4 ps,i右前胎34. 1 ps,i左后輪34. 7 ps,i右后輪33. 6 psi。胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射無(wú)線數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為5

18、 min,輪胎正常狀況下無(wú)線傳感器每次發(fā)送一幀數(shù)據(jù),臺(tái)架旋轉(zhuǎn)速度為60180 km/h,在4 h內(nèi),氣壓和溫度數(shù)據(jù)接收數(shù)分別在44幀以上,信號(hào)接收可靠度為92%以上,TPMS專用數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)氣壓和胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)氣壓基本一致,實(shí)時(shí)反映氣壓信息?？煽啃栽囼?yàn)反復(fù)20次,20次無(wú)明顯差異,整套數(shù)字TPMS系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。6 結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一種基于MEMS壓力傳感器的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),給出了總體方案、詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)、軟件控制策略和通信協(xié)議,并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)、車載測(cè)試和可靠性試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明:在接入TPMS系統(tǒng)的車輛中,胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有錯(cuò)誤幀,無(wú)線發(fā)射幀的刷新時(shí)間間隔準(zhǔn)確,胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和接收器信息交互正常,性能穩(wěn)定;該系統(tǒng)在車輛行駛過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎氣壓和溫度,精確度高,無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)