（机械电子工程专业论文）新型轮胎气压监测系统产品研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 t p m s ( t i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ，轮胎气压监测系统) 能够保证轮 胎工作在正常的气压和温度范围内，其可以明显提高汽车行驶的平缓性、安 全性和舒适性，具有广阔的应用前景。经过多年的发展，t p m s 由原来的机 械式发展为现在的电子式。本文讲述了一种应用传感器技术、微电子技术、 嵌入式技术、射频通信技术等高新技术的t p m s 实现方案，开发出一种拥有 独立知识产权的t p m s 产品。 文章详细介绍了t p m s 的系统组成、硬件结构和软件开发方法，讲述了 各个模块在系统中的作用。主要包括以下内容： ( 1 ) 数据采集。使用气压和温度传感器m p y x 8 0 2 0 a 进行轮胎内的气压 和温度数据的采集，使用微控制器内部的模数转换器( a d c ) 进行电压数据的 采集。 ( 2 ) 基站和端机的设计。分别选用了m s p 4 3 0 f 系列的1 6 位微控制器来 进行控制，实现数据采集、射频数据发送、射频数据接收、动态显示、异常 报警、数据存储等功能。 ( 3 ) 射频通信模块的设计。选用单片射频收发芯片n r f 9 0 5 ，独立完成软 件的编写与调试，实现一点对多点的无线连接，实现数据的可靠收发。 ( 4 ) 显示和键盘模块的设计。使用液晶显示器( l c d ) 来显示各个轮胎的 状态，时间等信息，并且通过键盘，可以实现系统关机、调整时间、调整报 警极限值和进行串行数据传输等功能。 ( 5 ) 数据处理。系统在信号出现异常的时候，要进行相应的视觉上和听 觉上的报警，并具有类似于飞机黑匣子的报警数据记录功能。 ( 6 ) 万年历功能模块设计。使用时钟芯片h t l 3 8 l 来完成该功能，完成 对h t l 3 8 1 初始时间的配置和当前时间的读取等功能。 作为一个射频产品，无线通信的可靠性非常重要，本文详细分析了高可 靠性的射频芯片n r f 9 0 5 的硬件原理、配置方法、工作方式、射频接收和发送 的工作流程，在制作电路板和天线设计中应该注意的一些问题，以及无线通 信距离的计算方法。整个系统的基本目的在于监测信号并对信号进行报警， 因此。得到准确的信号是系统正常工作的基础，本文详细介绍了使用m s p 4 3 0 片内的a d c 进行数据采集的方法、使用m p x y 8 0 2 0 a 进行气压和温度信号采 武汉理工大学硕士学位论文 集的方法以及误差处理的方法。此外，本文还详细阐述了液晶显示器的硬件 原理和使用方法、实时时钟h t l 3 8 1 的工作原理和使用方法。 本文讲述的系统具有一般性，其在动态监测汽车轮胎的状态方面实际使 用效果良好，此外，本系统可经过稍微修改，应用于无线水表、无线电表、 无线安防系统、无线开锁、家庭自动化和玩具等诸多领域。 在文章的最后，对全文进行了总结，指出系统的不足之处和进一步研究 的工作方向。 关键词：射频，无线通讯，轮胎，气压，监测系统 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t t i r e p r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ( t p m s ) c a ng u a r a n t e e t h a tt h et i r eo f a u t o m o b i l ew o r k sa tr i g h tp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e t p m sm a k e sa u t o m o b i l et o b em o r ec o m f o r t a b l e ，m o r es a f e l y , m o r es m o o t h l y i th a sb e e np r o v e dt h a tt i r e t a k e st h ew e l l b a l a n c e da i rp r e s s u r ea n dt h er i g h tt e m p e r a t u r ei sv e r yi m p o r t a n t a f t e r y e a r s o fd e v e l o p m e n t ，t i r ep r e s s u r e m o n i t o r i n gs y s t e m ( t p m s ) h a s a l r e a d yd e v e l o p e df r o mf o r m e rm e c h a n i c a ls y s t e mt o e l e c t r o n i cs y s t e m t h e p a p e rg i v e s a ne m b e d d e dt p m ss c h e m ew h i c hu s e st h es e n s o r t e c h n i q u e ， m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e ，e m b e d d e dt e c h n i q u e ，w i r e l e s s r a d i o f r e q u e n c y t e c h n i q u e at p m sp r o d u c ti sm a d e ，t h ep r o d u c t p r o p e r t yr i g h tb e l o n g st o u s e n t i r e l y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dp r o g r a m m i n gw a yo f t p m si nd e t a i l t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h er o l eo fa l lt h ep a r t s f o l l o w i n gi s t h em a i nc o n t e n to ft h e p a p e r ： ( 1 ) s i g n a ls a m p l i n g t h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r es i g n a li ss a m p l e db y u s i n gt h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r es e n s o rm p x y 8 0 2 0 a t h ev o l t a g es i g n a li s s a m p l e db yu s i n gt h ei nc h i pa n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) o fm s p 4 3 0 ( 2 ) t h ec h o i c eo fm i c r o - c o n t r o l l e ri nb a s es t a t i o na n dt e r m i n a l 16b i t s m i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0i ss e l e c t e dt od ot h ec o n t r o l l i n gw o r kr e s p e c t i v e l y i t s a m p l e st h es i g n a l ，s e n d st h es a m p l i n gd a t ab yr a d i of r e q u e n c ym e a n s ，r e c e i v e s t h ed a t ab yr a d i of r e q u e n c ym e a n s ，s h o w st h ed a t ai nr e a lt i m e ，m e m o r i e st h e a l a r md a t a ( 3 ) d e s i g n o ft h er a d i o f r e q u e n c y c o m m u n i c a t i o n p a r t s e n d i n g a n d r e c e i v i n g t h ed a t ab y u s i n gn r f 9 0 5 ( 4 ) d e s i g no f t h es h o w i n gd a t ap a r t t i r e sd a t ai ss h o w e dt ot h ed r i v e rb y u s i n gl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) t i m ei sa l s os h o w e di nt h el c d ( 5 ) d a t am a n a g e m e n t t h es y s t e mg i v e st h ea l a r ms i g n a lw h e nt h ed a t ai s a b n o r m a l i ta l s om e m o r i z e st h ea l a r md a t a ( 6 ) d e s i g no fc a l e n d a rm o d u l e ac a l e n d a rc h i ph t1381i su s e dt og i v et h e c u r r e n tt i m e ，i n c l u d i n g w e e k ，d a t e ，d a y , m o n t ha n dy e a r t h ep a p e rt e l l st h e n i 武汉理工大学硕士学位论文 r e a d e rh o wt oc o n f i g u r eh t l 3 8 1a n dr e a dc u r r e n tt i m ef r o mh t l 3 8 1 a sar a d i of r e q u e n c y p r o d u c t ，t h er e l i a b i l i t yo f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i s v e r yi m p o r t a n t t h ep a p e rp r e s e n t s t h e d e s i g n m e a n so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n b yu s i n gn r f 9 0 5 s o m ec o n c e p t sa c c o r d i n gt oa n t e n n a a r eg i v e n ， t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e dh o wt oc o m p u t et h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e t h e b a s ep u r p o s eo ft h es y s t e mi sm o n i t o r i n gt h ed a t aa n d g i v i n ga l a r ms i g n a l ，s oa n a c c u r a t ed a t ai si m p o r t a n t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em e a n so fd a t as a m p l i n ga n d e r r o rm a n a g e m e n t t h e p r i n c i p l ea n du s i n gm e a n s o fl c di sg i v e ni nt h ep a p e r t h e s y s t e mt h ep a p e rg i v e n c a nn o to n l yb eu s e di nt p m s ，b u ta l s ob eu s e d i no t h e rf i e l d u n i v e r s a l l y , s u c h a sw i r e l e s sw a t e rm e t e r ，w i r e l e s s a m m e t e r ， w i r e l e s sa l a r m ，w i r e l e s sk e y ，h o m ea u t o m a t i o n ，t o y ac o n c l u s i o no ft h ep a p e ri sm a d ei nt h ee n d w ea l s op o i n t so u tt h ef l a wo f t h es y s t e m ，t h e np r e s e n t st h eo r i e n t a t i o no f s u b s e q u e n tr e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t i r e ，a i rp r e s s u r e ， m o n i t o r i n gs y s t e m i v 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 。1t p m s 对汽车的影响 2 0 0 4 年全国共发生道路交通事故5 1 7 ，8 8 9 起，根据全国各级安全交通管理部 门上报的资料统计，有三成是由于轮胎爆胎引起的，也就是爆胎引起的交通事 故约1 5 0 ，0 0 0 起，可见轮胎的安全性非常重要。 轮胎是汽车行驶系的重要部件，其性能的优劣，将直接影响汽车的驱动性、 平顺性、稳定性、安全性和舒适性等。轮胎气压不足，将加大轮胎侧面的弯曲 变形，易导致胎内内壁帘线松散断裂1 。轮胎气压高于标准值时，轮胎与路 面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力增高，磨损加剧，花纹底部开 裂。又因此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路面间的 动载荷，汽车的平顺性变坏。行驶中遇到障碍物的冲击，易发生轮胎破裂，导 致轮胎使用寿命缩短。而轮胎与路面之间动载荷的增大，从而降低车轮的地面 附着力，影响汽车的行驶安全性。 当汽车高速行驶时，如果轮胎气压低于标准值，轮胎会急剧升温而脱层， 这会削弱轮胎的强度及承载能力，最后导致轮胎破裂漏气。另外，如果前轮左 右轮胎的气压不同，易造成行驶方向不稳定；如果后轮左右轮胎的气压不同， 易造成局部超载而加剧轮胎的磨损；气压不同的双轮胎并装，易使气压高的轮 胎负荷过重而出现早期磨损。 由此可见，很有必要对轮胎的气压和温度进行监测与控制。t p m s ( t i r e p r e s s u r em o n i t o r i n gs y s t e m ，轮胎气压监测系统) 便在这些需求下应运而生。 1 2t p m s 的历史 t p m s 渡j i - t - k 十年代。在九十年代中叶，一些欧洲的高级轿车中已配备了 这类的传感器。对汽车轮胎压力问题的重视源于九十年代的末期。美国的一些 汽车组织( r m a ) 对一九九九年汽车事故的研究发现，其中有6 4 7 次致命的事故 与胎压有关a 另一项研究表明，8 5 的轮胎损毁是由轮胎的压力不足或压力渐 武汉理工大学硕士学位论文 失造成的。美国轮胎商业杂志对7 6 6 辆汽车的统计表明，有7 2 3 的汽车的 轮胎胎压不足”1 。 2 0 0 0 年曾出现过美国厂商收回轮胎和汽车的事情。其原因是出现了大量的 爆胎和翻车事故。大量数据表明，对轮胎正确充气会大大降低爆胎的可能性。 基于此，美国运输部( d o t ) 国家公路交通安全管理委员会( n h t s a ) 出台法 规。该法规规定：2 0 0 3 年1 1 月至1 j 2 0 0 6 年1 0 月3 1 日期间美国新出厂的轻型汽车将 逐步引入t p m s 。 1 3t p m s 的发展现状和趋势 1 3 1发展现状 现在许多欧洲的汽车厂商己将t p m s 配装于自己的车型之中。其中包括： 德国b m w - z 8 ，法国c i t r o e n c 5 ，英国阿斯顿马汀超级跑车v a n q u i s h ，林肯 大陆，旁蒂克的旗舰b o n n e v i l l es e 等等，梅赛德斯一奔驰s 级轿车最新的改进 也将t p m s 作为选装件”1 。 美国国家公路交通安全管理委员会( n h t s a ) 批准了2 种“标准备用轮胎压 力监测系统”。这两种备用系统分别称为直接系统和间接系统。 a 、直接式t p m s ：要求在每个轮胎内使用压力传感器和温度传感器，然 后把采集到的压力和温度信号通过有线或无线的方式传送到汽车驾驶室内的 主控制器进行处理，目前，大多数t p m s 采用无线的方式进行压力和温度信号 的传送。 b 、问接式t p m s ：使用车辆防抱死制动系统( a b s ) 来确定轮胎压力变化。 这种系统通常是在4 个轮子上都装有车辆速度传感器用于监测车速的变化轮 胎压力变低也会导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于触发 警报系统来向司机发出警告。 目前，国内也有许多研究人员申请了相关的国内专利，但到目前为止，国 内的产品还没有能够让国外汽车厂商接受。国内市场上的t p m s 一般通信不是 很可靠，有的产品为了提高无线通信的可靠性，j j u , x 中继器来进行辅助收发， 但这样就增加了成本。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2发展趋势 直接式t p m s 和间接式t p m s 各有自己的优缺点。直接式t p m s 可以随时测 定每个轮胎内部的当前压力，很容易确定故障轮胎。间接式t p m s 十h 对便宜， 使用间接系统，已经装备t 4 轮a b s ( 每个轮胎装备1 个轮速传感器) 的汽车只需 对软件进行升级”1 。但是，目前这类系统没有直接系统准确率高，无法监测出 多个轮胎同时缺压或高压的情况。显而易见，直接式t p m s 更有效。基于这样 一种观点，有人预测当n h t s a 在2 0 0 5 年修改t p m s 法规时，会使用直接传感系 统全部取代过渡期间的间接系统1 。鉴于如此大的市场潜力，许多公司加紧推 出直接t p m s 解决方案。因为n h t s a 的要求目前只适用于轻型车辆，而不包括 双后桥车辆，所以客车和轻型卡车的发展空间最多。 本文论述的是直接式t p m s ，为了表述方便，没有特别指出的t p m s 指的都 是直接式t p m s 。 1 4 无线数据传输技术 1 4 1射频技术 射频( r a d i of r e q u e n c y ，简称r f ) 技术是一种无线通信技术，其利用电磁 波为载波来传输信息。r f 技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据相邻 的w l a n 用不同频率。其产品既可工作在1 8 1 9 g h z 的特许频带，也可以在低功 率的情况下工作于i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i c m e d i c a l ，工业，科学医学) 频段。在 中等衰减的建筑物中，r f 信号一般可穿透一至三堵墙“1 。它可用于室外、开放 或封闭的室内办公环境。目前使用的射频芯片大多工作在 4 3 3 t 8 6 8 9 1 5 2 4 0 0 m h z 频! 段，2 a g h z 的高频段使服务器与终端之间的通讯速率 可达1 2 m b p s ，而且这个频段由于干扰小，在绝大部分国家都不受无线管制。 1 4 2 蓝牙技术 所谓蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术，实际上是一种短距离、低成本的无线连接技术， 是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案。于1 9 9 8 年5 月，由瑞典 e r i c s s o n 、芬“- - n o k i a 、日本t c s h i b a 、美国i b m 和i n t e l 公司等五家著名厂商在联 合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出”1 。这五家厂商还成立了蓝牙特 武汉理工大学硕士学位论文 别兴趣组( b l u e t o o t hs i c ) ，尽力使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。 蓝牙技术的通讯频率被定在2 4 5 g h zi s m 频带上，其作用半径在发射功率 为1 毫瓦的时候为1 0 米，通信协议和堆栈复杂，需要专门设备开发，最便宜的 仪器也要5 8 ) 美元。 蓝牙技术解决了小型移动设备问的无线互连问题。它的硬件市场非常广阔， 涵盖了局域网络中的各类数据及语音设备( 如计算机、移动电话、小型个人数 字助理( p d a 等) “。该技术并不想成为另一种无线局域网( w l a n ) 技术，显然 后者在市场上已经出现了很多成品。虽然w l a n 通过一个公用的主干可以有效 地连接庞大的人群，但蓝牙技术面向的却是移动设备间的小范围连接，因而本 质上说它是一种代替电缆的技术。 1 4 3h o m e r f 技术 h o m e r f ( 家用射频) 是由h o m e r f i 作组开发的，适合家庭区域范围内，在 p c 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准“1 。作为无线技 术方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网络中的设备，如 笔记本电脑和i n t e r n e t 应用提供了漫游功能。 在美国联邦通信委员会( f c c ) 正式批准h o m e r f 标准之前，h o m e r f i 作 组已为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订出一个规范，这就是共享 无线访问协议( s w a p ) 。s w a p 规范问世以后，除了扩展高性能、多波段无绳 电话技术以外，还极大地促进了低成本无线数据网络技术的发展”。但是， h o m e r f 占据了与8 0 2 1 l b 和b l u e t o o t h , 相同的2 4 g 频率段，并且在功能上过于局 限家庭应用，再考虑到8 0 2 1 1 b 在办公领域已取得的地位，恐怕在今后难以有较 大的作为。 1 4 4 红外技术 ( t n f r a r e d d a l a a s s o c i a t i o n 简称i r d a ) 是一种短距离红外线通讯技 术r 适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接。红外通讯标准是目前通讯 行业普遍支持的近距离无线数据传输规范“”。尽管通信距离只有凡米，红外 光却是有许多优势的通讯媒介。它的小型化和低成本，很适合应用在手机、电 子商务、数字照相机等便携式产品中。相对简单的红外连接使它能适应不同的 4 武汉理工大学硕士学位论文 操作系统和大范围的传输速率，红外连接比有线连接更安全可靠，它避免了因 线缆和连接器磨损和断裂造成的检修。 1 4 5 其它无线数据传输技术 除了上述的几种无线数据传输技术外，目前比较常用的还有g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n b p 全球移动通讯系统) 技术、g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e 目0 通用分组无线业务1 技术和c d m a ( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s 即码分多址) 技术等“”“”。与前面几种无线数据传输技术不 同的是，g s m ，g p r s ，c d m a 技术是基于各大电信公司建立好的通讯网络而工作 的，因此，它们都是付费服务，适合于远距离的无线通讯。 1 5t p m s 的一般结构 t p m s 一般包括4 个轮胎模块和一个主控模块。轮胎模块分别安装在每个 轮胎上，由压力传感器、温度传感器、控制器( 或a s i c ，即特定用途集成电路) 、 射频发射器、天线和电池组成。由于安装在轮胎模块的电池 图1 1t p m s 硬件结构 武汉理工大学硕士学位论文 电量有限，而一般t p m s 的寿命要求为几年，所以节能问题是t p m s 设计中的关 键问题之一。目前的t p b i s 使用的节能方法主要有两个；一为使用惯性丌：关； 二为使用低频探测器。使用惯性开关的t p m s 的工作原理是，当车子开动时， 惯性开关利用车子转动产生的离心力，把轮胎模块的电池开关打开，轮胎模块 开始工作。使用低频( l f ) 探测器的t p 幅的工作原理是，每隔一定时间，驾驶 室里主控模块发射低频信号，把轮胎模块唤醒一次，轮胎模块进行数据采集和 发射以后，进入空闲工作模式，等待下一次的唤醒。主控模块安装在驾驶室内， 其由射频接收器、天线、l c d 和低频信号发射电路组成。整个t p m s 的硬件结 构如图1 1 所示。 1 6 主要工作与论文结构 本论文所进行的主要工作体现在以下几方面： ( 1 ) 射频芯片的选型、射频电路设计、印制电路板的设计。在目前较多的射 频芯片中，选用合适的射频芯片，进行电路设计、p c b 布局、射频收发程序编 写和调试，并在此基础之上，对射频天线进行设计，以进一步提高通信距离。 ( 2 ) 传感器信号的采集。包括温度信号和气压信号的采样，电压信号的a d 采样，并对传感器的数据进行修正。 ( 3 ) l c d 模块的设计。包括l c d 的尺寸、背光性能、基本图案、图案编码、 引脚方式、与单片机的接口电路、驱动程序的编写和调试等。准确、实时、轮 流地把各个轮胎的状态信号显示在l c d 上，对于不同的报警情况，给出不同 的提示图案或不同的闪烁方式。 ( 4 ) 实现当前时间的获取，并把当前时间显示在l c d 上。 ( 5 ) 当系统出现报警时，基站需要把报警时的各个信号( 气压、温度和电压) 值和当前时间记录下来，以实现黑匣子的功能。 本论文的结构安排如下：第一章介绍t p m s 的发展情况、无线数据传输技 术、t p m s 的功能结构，并对本文所做的工作进行了说明：第二章介绍系统中 用到的单片机m s p 4 3 0 的芯片结构及其编程环境，并分别介绍本方案的基站组 成和端机组成；第三章介绍传感器和a d 采样的基本原理，详述实现电压、温 度和气压信号采样的方案；第四章详细介绍了射频芯片n r f 9 0 5 的芯片结构、 工作原理，并进一步说明基于n r f 9 0 5 的射频通信模块的设计；第五章介绍l c d 6 武汉理工大学硕士学位论文 显示、读写f l a s h 、定时器、m s p 4 3 0 串行口通信等工作模块；第六章介绍实 验过程中的一些数据，包括通信距离，电池使用寿命等，并介绍了产品开发过 程中的一些其它工作；第七章对全文进行了总结和展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章m s p 4 3 0 及t p m s 组成 2 1m s p 4 3 0 2 1 1m s p 4 3 0 介绍 t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其 中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由种不同的模块组成。这些微 控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使用时间的应用。它们具 有1 6 位r i s c ( 精简指令集) 结构，中央处理器( c p u ) o f l 的1 6 个寄存器和常 数发生器使m s p 4 3 0 微控制器能达到最高的代码效率：灵活的时钟源可以 使器件达到最低的功率消耗；数字控制的振荡器( d c o ) 可使器件从低功耗 模式迅速唤醒，在少于6 u s 的时间内激活到活跃的工作方式1 。 m s p 4 3 0 系列单片机具有丰富的片内外设，有极其广阔的应用范围。 以下是m s p 4 3 0 的一些共同特点”： 低电压、超低功耗 m s p 4 3 0 系列单片机，在1 8 v 3 6 v 电压、1 m h z 的时钟条件下运行， 耗电电流( o 1 4 0 0 u a 之间) 因不同的工作模式而不同；具有1 6 个中断源， 并且可以任意嵌套，使用灵活方便：用中断请求将c p u 唤醒只要6 u s ，可 编制出实时性特别高的源代码；可将c p u 置于省电模式，以用中断方式 唤醒程序。 强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机，为1 6 位r i s c 结构，具有丰富的寻址方式( 7 种 源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指令以及大量的 模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高 效的查表处理方法；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下，指令周期 为1 2 5 u s 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 系统工作稳定 上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ，以保证程序从正确的位置 s 武汉理工大学硕士学位论文 开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适 当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作 c p u 时钟m c l k 时发生故障，d c o 会自动启动，以保证系统正常工作： 如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 丰富的片内外设 m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别 是以下一些外围模块的不同组合： 看门狗( w d t ) 比较器 液晶驱动器 端口1 6 ( p 1 p 6 ) 定时器a ( t i m e ra )定时器b ( t i m e rb ) 串1 30 、i ( u s a r t 0 、1 )硬件乘法器 1 0 1 2 1 4 位a d c端口o ( p o ) 基本定时器( b a s i ct i m e r ) 以上外围模块再加上多种存储器方式就构成了不同型号的m s p 4 3 0 单 片机。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；比较器进行模拟电压的 比较，配合定时器可以设计为a d 转换器；定时器具有捕获i i ：l 较功能， 可用于事件计数、时序发生、p w m 等；有的器件更具有两个串口，可方 便地实现多机通信等应用”；具有较多的并行端口，最多达6 x 8 条1 1 0 口线，而且i 0 口线具有中断能力；1 2 1 1 4 位硬件a d c 有较高的转换速率， 最高可达2 0 0 k b p s ，能满足大多数数据采集应用；能直接液晶多达1 2 0 段 ”。m s p 4 3 0 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案了极大 的方便。 2 1 2 编程环境i a r 4 3 0 m s p 4 3 0 系列单片机在问世不久，即有多家公司为它实现了c 程序设 计语言的编译器和调试工具。目前在国内应用得比较广泛的有i a r 公司的 i a r 4 3 0 和q u a d r a v o x 公司的a q 4 3 0 。其中，i a r 4 3 0 提供的c 语言集成调 试环境和c 语言调试器应用较为广泛。本系统所有程序均在i a r 4 3 0v 1 2 6 版环境下调试通过。 i a r 4 3 0 的c 编译器有两种版本，即命令行版本( d o s ) 和w i n d o w s 版 本。命令行版本很少使用，所以，我们通常所说的i a r 4 3 0 指的是w i n d o w s 武汉理工大学硕士学位论文 版本。 i a r 4 3 0 与c 是基本一致的，其具有c 语言的标准特性，同时还加上 了许多为了适应m s p 4 3 0 系列单片机的特定硬件特性而设计的扩展功能。 整m s p 4 3 0 系列的开发软件包包含： i a r 4 3 0 编译器； m s p 4 3 0 汇编器； m s p 4 3 0 连接器； m s p 4 3 0 的c 函数库。 在应用i a r 4 3 0 前，应先安装下列软件： e m b e d d e dw o r k b e n c h ： c s p y ： i a r 4 3 0 的集成编译环境 1 a r 4 3 0 调试器 用i a r 4 3 0 进行开发的典型步骤如下： 第1 步：开始，对开发环境作配置； 第2 步：建立工程； 第3 步：创建c 源文件； 第4 步：把c 源文件加到工程中； 第5 步：编辑c 源文件： 第6 步：编译工程； 第7 步：连接目标文件，包含调试选项； 第8 步：调试，如发现错误则返回到第5 步，修改文件后继续进行； 第9 步：调试通过后，去掉调试选项，重新连接； 第1 0 步：生成程序代码，加载到p r o m 或f l a s h 中。 上述步骤除了第8 步在c s p y 环境中工作外，其余过程均在 w o r k b e n c h 中进行。 i a r 4 3 0 不提供b o o l 变量，也不能对位或i o 口直接进行操作或赋 值，在i a r 4 3 0 中，对位或i o 口操作一般都是通过“与”、“或”和“非，等逻 辑运算实现。 i a r 4 3 0 可通过f e t ( f l a s he m u l n i o nt 0 0 1 ) 和j t a g 接口下载和仿真程 序，m s p 4 3 0 的j t a g 接口如图2 1 所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1m s p 4 3 0 的j t a g 接口2 由于基站与端机的要求不尽相同，我们分别选用不同的单片机来完成 它们各自的工作。 基站的选型要求 呤8 0 段l c d 驱动： 夺具有8 k 的程序存储空间； 夺2 5 6 b i t 数据存储空间； 夺至少1 6 个i o 口： 夺体积尽量小，成本尽量低； 图2 2 m s p 4 3 0 f 4 3 5 芯片结构 根据上述要求，我们选用m s p 4 3 0 f 4 3 5 ，该芯片具有1 6 k b 的程序 赢燃娥翮燃堡 一僦德 一 i ， 了 。 一 暑 。 一 啼 恤一 一 鼬) r m 爹紧懿。裁 旦里一 罄一 赠f 武汉理工大学硕士学位论文 f l a s h ，5 1 2 b 的数据r a m ；8 通道1 2 位a d c ；4 8 个i o 口；1 2 8 1 6 0 段 l c d ；1 6 位w d t ；8 b i t 基本定时器；1 6 位t i m e ra ( 3 个捕获比较寄存器) ； 1 6 位t i m e rb ( 3 个捕获，比较寄存器) b ；1 个u s a r t 接口；比较器a ： 温度传感器；有8 0 引脚p n 和1 0 0 引脚p z 两种封装。我们选用8 0 引脚 p n 封装。 端机的选型要求 夺由于需要安装在轮胎里面，所以尺寸要求尽量小，最好选用方形封装； 夺至少具有一路a d c ，以进行对电压信号的采样： 图2 3m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 芯片结构 夺具有8 k 的程序存储空问； 夺至少具有1 6 个i o 口，以便于与传感器m p x y 8 0 2 0 a 进行接口和对射 频芯片进行操作： 夺尽量选用成本低的芯片。 根据以上要求，我们选用m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 ，该芯片具有8 k b i t 的程序 f l a s h ，2 5 6 b i t 的数据r a m ；8 通道l o 位a d c ；2 2 个i o 口；1 6 位w d t ： 1 个1 6 位t i m e r - a ( 3 个捕获比较寄存器) ；1 个u s a r t 接口；温度传感 器：有2 8 引脚d w 、p w 封装和3 2 引脚r h b 封装。我们选用体积比较小 的2 8 引脚p w 封装。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2t p m s 组成 2 2 1 基站 本系统的基站的框架如图2 4 所示。其中供电电池使用的s o n y e r i c s s o nt 6 2 8 手机配置的3 6 伏锂电池，通过电压转换芯片l m l l l 7 进行 电平转换后给整个基站供电，在电池没电的情况下，也可以使用车内的1 2 伏电源直接供电。电压检测模块通过检测转换后的电压来指示电池电量。 时钟芯片h t l 3 8 1 给基站提供实时时钟，n r f 9 0 5 射频模块用于接收来自 本车上不同轮胎的信号，并经过m s p 4 3 0 f 4 3 5 处理后，通过液晶显示模块 或者喇叭呈现给用户。用户也可以通过键盘来对基站进行设置操作。 2 2 2 端机 图2 4 基站的组成 端机的框架如图2 5 所示。端机由钮扣电池供电，其由模具封装好， 安装在轮胎的气门嘴上。为了省电，使用离心力开关来对端机的电源进行 控制，当汽车行驶速度达到3 0 k m h 的时候，离心力开关导通，并把端机 的电源接通，端机开始工作，当汽车静止或者车速小于3 0 k m h ，端机处 于断电状态。端机通过传感器m p x y s 0 2 0 a 来检测轮胎内的气压和温度， 通过电压检测模块来检测当前电池电压，然后通过n r f 9 0 5 射频模块发送 武汉理工大学硕士学位论文 给基站。 2 3 本章小结 图2 5 端机的组成 m s p 4 3 0 的低功耗特性很适用于一些低功耗要求的产品。 m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 采用s s o p 2 8 引脚封装，体积非常小，用其作为端机的控 制器，使得端机的体积非常小。本章简要介绍m s p 4 3 0 的特性、所选用的 两种单片机的性能以及m s p 4 3 0 的编程调试方式，并且叙述了基机和端机 的结构，整个系统的具体实现将在往后的章节里详细叙述。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章传感器数据采集 3 1 传感器技术 传感器( t r a n s d u c e r 或s e n s o r ) 是将各种非电量( 包括物理量、化学量、生 物等) 按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量( 一般为电量) 的装 置，一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加辅助 电源，用方块图表示如图3 1 1 。 图3 。1 传感器的组成方块图 随着科学技术的迅速发展和自动化程度的提高，作为获取外界信息重要 工具的传感器越来越受到人们的重视，对其性能的要求也越来越高。从信息 技术的角度看，传感器技术、通讯技术和计算机技术分别相当于人的“感官”、 神经”和大脑”。因此传感器技术是信息技术的重要基础。传感器技术包 括传感器材料，传感器、传感器附属电路、传感器与计算机的接口电路、传 感器应用等五个部分。传感器技术是一门知识密集型的边缘科学，它涉及电 子学和电子学以外的生物、医学、物理、化学、金属学、机械等几乎所有科 学技术，所以，它是电子学的延伸，是新一代的电子学，亦称传感器电子学。 t p m s 需要两种传感器来完成其任务，即检测轮胎气压的气压传感器和 检测轮胎内气体温度的温度传感器，m o t o r o l a 的传感器m p x y 9 0 2 0 是一种 专门为t p m s 设计的传感器，片内集成了气压和温度检测功能，输出为数字 信号，方便使用。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2a i d 数据采样转换原理 a d c ( a n a l o gd i g i t a lc o n v e n e r ，模数转换器) 是一种能把输入模拟电压或 电流变成与它成正比的数字量，即能把被控对象的各种模拟信息变成计算机 可以识别的数字信息“”。a d c 种类很多，但从转换原理上通常可分为以下 几种：双积分型a d c 、逐次逼近型a d c 、一型a d c 、并行比较型串并行 比较型、电容阵列逐次比较型及压频变换型“”。 ( 1 ) 双积分型a d c ( m c l 4 4 3 3 ) m c l 4 4 3 3 是美国m o t o r o l a 公司推出的单片a d 转换器，其中集成了双 积分式a d 转换器所有的c m o s 模拟电路和数字电跗。具有外接元件少， 输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零 和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的a d 转换 器”。m c l 4 4 3 3 最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪 表及计算机数据采集系统的a d 转换接口。 ( 2 ) 逐次逼近型a d c ( a d s 8 4 0 1 ) 德州仪器公司( t i ) 产品线推出业界速度最快的1 6 位s a r ( 逐次逼近型) 模数转换器( a d c ) a d s 8 4 0 1 及a d s 8 4 0 2 ，其采用最新的架构，具有业界创 纪录的每秒1 2 5 兆采样速率( m s p s ) 、真正1 6 位无丢失码的高性能以及 1 5 5 m w 低功耗等特性”。该类高速、低功耗器件主要针对包括医学成像、 便携式医疗仪器、高速数据采集、有线通信及光网络等领域的应用。与管道 式及d e l t a s i g m a 技术相比，s a r 转换器具有无传输延迟的优点。 3 3m s p 4 3 0 片内a d c m s p 4 3 0 系列单片机大部分都内嵌模数转换器模块，且转换精度在1 0 位、1 2 位及1 4 位不等，而其他没有硬件模数转换器模块的型号也可以利用 内嵌的模拟比较器使用软件的办法实现模数转换“。所以m s p 4 3 0 系列在 数据采集等需求的应用中使用非常方便。在本系统中，使用了1 2 位a d c 进 行电压信号的采集。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 1a d c l 2 结构及特点