（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式技术的无线监测自控调压系统设计及实现.pdf

摘要 摘要 异常的轮胎气压可能会破坏汽车的稳定性并影响汽车的驾驶和制动，增加安 全隐患。特别是在高速行驶过程中，由于轮胎气压、温度异常导致的轮胎故障是 引起突发性交通事故的主要因素之一。 轮胎压力监测系统( t p m s ) 由位于驾驶室的接收器和安装于各个轮胎端的发 射器组成。发射器对汽车各个轮胎的气压、温度适时地进行监测，并将监测数据 传送给接收器。接收器处理数据，当发现气压或温度异常时，告警以提醒驾驶员 及时进行处理，有效地预防轮胎故障的发生。t p m s 作为非常重要的主动安全部件， 已经拥有越来越广阔的市场。 本文结合项目需求，设计研制了轮胎无线监测自控调压系统，对t p m s 进行 了功能上的扩充。该系统不仅具有轮胎气压和温度监测功能，还增加了自动调节 气压的功能，最大限度地保证了行车安全；增加了参数设置功能，对各种行驶条 件下的异常情况有了更准确的判断；实现了换胎后系统自动轮胎重定位。t p m s 产品往多功能化方向发展是一种趋势，该系统的研制顺应了这种发展趋势。 本文全面描述了轮胎无线监测自控调压系统的研制过程，重点偏重于硬件的 设计与调试。主要工作如下： ( 1 ) 纵观国内外t p m s 的发展现状和趋势，综合分析比较了现有的各种方案，根 据项目需求和性能指标，结合教研室实际条件，设计了系统的整体架构，包括系 统硬件模块的划分和主要芯片的选型及依据。 ( 2 ) 实现了中央控制模块硬件电路，给出了各部分硬件电路的实现细节和电路原 理图，初步探讨了1 2 5 k h z 低频唤醒电路、4 3 3 m h z 射频接收电路和电源电路等模 块在电路设计中考虑的问题。分析了中央控制模块和轮胎监视模块的软件架构， 研究了主要芯片的性能和配置方式，编写了各部分硬件电路的测试程序对硬件功 能进行了测试。 ( 3 ) 给出了现场测试的相关结果，结果表明该系统基本达到了设计指标要求。 关键词：t p m s ，胎压自动控制，嵌入式，a r m a b s t r a c t a b s t r a c t i m p r o p e rt i r ep r e s s u r em i g h tl e a dt ol o w e rs t a b i l i t yo fo p e r a t i o n sa n db r a k e s ，w h i c h i n c r e a s e st h ed a n g e r si nd r i v i n g t h et i r e s t r o u b l e sa r eo n eo ft h em a i nf a c t o r so ft h e s u d d e nt r a f f i ca c c i d e n t s ，e s p e c i a l l yi nh i g hs p e e dd r i v i n g t m p se n c o m p a s s e st w om a j o rp a r t s t h er e c e i v e rf i x e di nd r i v e rc a ba n dt h e t r a n s m i t t e rf i x e do ne a c ht i r e t h et r a n s m i t t e re x a m i n e sp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei n s i d e t h et i r eb ys e n s o r sa n dt h e ns e n d sd a t ao u ta tm e a n w h i l e t h er e c e i v e rp r o c e s s e sd a t a f r o mt h et r a n s m i t t e r sa n da l e r t sw h e na b n o r m i t i e se x i s t s t p m sc o u l dm o n i t o rt h e c o n d i t i o no ft i r e sc o n t e m p o r a r i l ya n dp r e v e n tt i r eb l o w - u p se f f i c i e n t l y t p m sh a sb e e n i np o s s e s s i o no fw i d em a r k e ti na u t o e l e c t r o n i c sr e c e n t l y t h ew i r e l e s st i r ep r e s s u r em o n i t o r i n ga n da d j u s t i n gs y s t e md i s c u s s e di nt h i sp a p e r i sb r o u g h tu pb ya no n g o i n gp r o j e c t i na d d i t i o n , s o m ei l e wf e a t u r e sa r ea d d e dt ot h e s y s t e mb a s e do nt h eg e n e r a lf r a m e w o r k t h e s ef e a t u r e sn o to n l yc o n t a i nt i r ep r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r em o n i t o r i n g , b u ta l s ot h ea u t o a d j u s t i n ga b i l i t i e s ，w h i c hm a x i m i z et h e a u t os a f e p a r a m e t e r sc o n f i g u r a t i o ni sa n o t h e rs e l l i n gp o i n t ，s e r v i n ga sam o r ec l e a r p r i n c i p l et od e s c r i b et h ea b n o r m i t i e si nd i v e r s ed r i v i n gc o n d i t i o n s a tl a s t ，t h es y s t e mi s a b l et or e l o c a t ea f t e rs w i t c h i n gt i r e s t h ed e s i g nf o l l o w st h en e wt r e n dt h a tt p m si s b e c o m i n gm o r ed i v e r s ei nt h ef u t u r e a s t u d yh a sb e e nm a d eo nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s e so fw i r e l e s st i r e p r e s s u r em o n i t o r i n ga n da d j u s t i n gs y s t e ma n dt h eh a r d w a r ed e s i g na n dd e b u g g i n ga r e t h em a i nf o c u s t h em a i nc o n t e n t sa r ei l l u s t r a t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d so ft p m sh a v eb e e ni n t r o d u c e da n dt h e c u r r e n tm a i ns c h e m e sh a v eb e e na n a l y z e d t h es y s t e m i cf r a m e w o r k ，w h i c hi n c l u d i n g t h eh a r d w a r es c h e m a t i ca n dt h ed e v i c e su s e d h a v eb e e ng e n e r a l l yi n t r o d u c e d ( 2 ) t h ec e n t r a lc o n t r o lm o d u l eh a sb e e nr e a l i z e d t h es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a m sa n d t h es a m p l ep c bp i c t u r e sh a v eb e e ns h o w d s e v e r a lp r o b l e m sa p p e a r e dd u r i n gt h e d e s i g no f1 2 5k h zl o wf l e q u e n c yw a k e - u pc i r c u i t ；4 3 3m h z r fc i r c u i ta n dp o w e r c i r c u i th a v eb e e ns i m p l yd i s c u s s e d t h et h o u g h t sa n dm e n t h o d so ft h es o , w a r ed e s i g n h a v eb e e np r o v i d e d t h ep e r f o r m a n c ea n dc o n f i g u r a t i o nm e n t h o d so ft h em a i nc h i p si n a b s t r a c t t h i ss y s t e mh a v eb e e na n a l y z e da n dt h et e s tp r o g r a m sf o re a c hh a r d w a r em o d u l e sh a v e b e e nd e v e l o p e d ( 3 ) t h ed e b u g g i n ga n dt e s t i n gm e t h o d so ft h i ss y s t e ma n dr e l a t e dt e s t i n gr e s u l t sh a v e b e e nd e p i c t e d t h es y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：t p m s ，t i r ep r e s s u r ea u t oc o n t r o l ，e m b e d d e d ，a r m i i i 图目录 图目录 图1 1 直接式t p m s 系统结构框图2 图2 1 系统硬件框图1 1 图2 2 中央控制模块软件架构1 2 图3 1l p c 2 2 1 4 处理器最小系统框图1 3 图3 2 晶振电路原理图1 4 图3 3 系统复位电路1 4 图3 4j t a g 接口电路15 图3 5m 江9 0 5 内部结构框图1 5 图3 - 6 射频接收电路原理图16 图3 7 射频接收电路p c b 顶层视图l9 图3 8 射频接收电路p c b 底层视图19 图3 - 9 低频唤醒原理图1 9 图3 1 0 电感l 的线圈辐射模型2 0 图3 1 11 2 5 k h z 低频唤醒电路原理图2 1 图3 1 2u l n 2 0 0 3 a 每路驱动单元内部结构图2 2 图3 1 3 继电器控制电路。2 3 图3 1 4t 6 9 6 3 c 接口工作时序图2 5 图3 1 5s y g l 6 0 1 2 8 a 点阵图形液晶模块连接电路2 6 图3 1 6 按键电路2 7 图3 1 7l e d 控制电路2 7 图3 1 8 蜂鸣器控制电路2 8 图3 1 91 2 c 接口电路2 8 图3 2 0c a t 2 4 w c 0 2 从机地址位2 9 图3 2 l 电源设计结构框图3 0 图3 2 2 保护电路及滤波网络3 0 图3 2 3 末级电源电路31 v 图目录 图3 2 4 前级电源电路3 2 图4 1t 6 9 6 3 c 指令写入流程图3 8 图4 2t 6 9 6 3 c 指令格式3 8 图4 3 液晶显示模块测试程序流程图4 1 图4 4n r f 9 0 5s p i 口读操作时序图4 3 图4 5n r f 9 0 5s p i 口写操作时序图4 3 图4 6n r f 9 0 5 接收流程图4 4 图4 - 7n r f 9 0 5 接收模块测试程序流程图4 7 图4 8 低频唤醒模块测试程序流程图4 8 图4 91 2 c 总线数据传输时序图4 9 图4 - 1 01 2 c 总线字节写时序5 0 图4 - 1 11 2 c 总线选择性读时序5 1 图4 - 1 2e e p r o m 存储电路测试程序流程图5 3 图5 1 电源和继电器控制电路板5 6 图5 2l p c 2 2 1 4 控制电路板5 6 图5 3 阀门实物图5 7 图5 4 低频唤醒线圈实物图5 7 图5 5 样机实物图5 7 图5 - 6 轮胎监视模块电路板5 7 图5 71 2 5 k h z 低频唤醒电路测试点示意图5 8 图5 8l c 谐振回路输入端频谱图5 8 图5 - 94 3 3 m h z 射频发射模块频谱图5 8 图5 1 0a d s 集成开发环境中程序编译成功的显示界面6 0 图5 1 1 系统上电初始化界面6 0 图5 1 2 轮胎气压显示界面6 0 图5 1 3 轮胎温度显示界面6 l 图5 1 4 换胎界面6 1 图5 1 5 现场测试环境6 2 图5 16 轮胎监视模块安装6 2 表目录 表目录 表2 1 传感器芯片性能比较8 表3 1n r f 9 0 5 模式设置1 7 表3 2t 6 9 6 3 c 时序参数表2 6 表3 3 中央控制模块器件总功耗估计3 l 表4 - 1 开发环境及使用方式3 5 表5 14 3 3 m h z 射频发射模块参数对比5 9 表5 2 各种路况下轮胎气压标准值( k p a ) 一6 2 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：趁靖 日期：z 。哆年r 月。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：之啄导师签名： 嗍勃伊7 钴刖佃 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 轮胎气压、温度发生异常而导致的爆胎是引起汽车在高速行驶过程中发生突 发性交通事故的主要因素之一。其原因在于当轮胎发生气压过低的情况时，汽车 的行驶会使轮胎侧壁反复扭曲变形，容易出现裂口，引发爆胎。同时，轮胎气压 过低且连续长距离或长时间行驶，会使轮胎温度升高，轮胎橡胶与其帘布层的结 合力降低，使已有裂口的轮胎更容易发生爆胎；当轮胎发生气压过高的情况时， 会使轮胎胎面张力加大。此时轮胎若受到较大的地面冲击也容易裂口，并从裂口 处扩展，引发爆胎。轮胎气压过高还会使制动距离增大，影响行车安全性。研究 表明，保持标准的轮胎气压、温度和及时发现轮胎气压、温度异常是防止爆胎的 关键【1 1 。 轮胎压力监测系统( 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 ) 的出现是针对上 述问题的一个很好的解决方案，并已经拥有较为广阔的市场。t p m s 主要用于在汽 车行驶过程中，适时地对汽车各个轮胎的气压和温度进行自动监测，对轮胎漏气 造成的低胎压和高温、高胎压进行预警，从而确保行车安全。 t p m s 根据监测原理可以分为两种主要的类型，一种是间接式( w s bt p m s ， w h e e l s p e e db a s e dt p m s ) ，它通过汽车a b s 的轮速传感器来比较轮胎之间的轮速 差别，以达到监视轮胎气压的目的，其缺点是不能对两个及以上轮胎同时发生气 压异常的状况和速度超过1 0 0 k m h 的情况进行准确的判断。另一种是直接式( p s b t p m s ，p r e s s u r e s e n s o rb a s e dt p m s ) ，它利用安装在每一个轮胎里的压力传感器 来直接测量轮胎的气压值，并通过射频调制发射到安装在驾驶室的监视器上。美 国国家公路交通安全管理委员会( n h t s a ) 对这两种类型的t p m s 系统进行了评 估，结论是p s bt p m s 从性能和功能上都比w s bt p m s 有一定的优势【2 】。 p s bt p m s 由安装在每个轮胎端的轮胎监视模块和安装在驾驶室的中央控制 模块组成，系统结构框图如图1 1 所示。轮胎监视模块的压力温度传感器适时采集 轮胎的气压和温度值，微控制器对采集到的数据进行处理，转变为适合无线传输 的格式，然后通过射频发射芯片发送出去；中央控制模块接收到数据后，进行一 定的处理，将轮胎的信息通过显示器显示出来，供驾乘人员查看。当该系统监测 电子科技大学硕士学位论文 到轮胎气压或温度出现异常情况时，告警以提醒驾乘人员注意。 1 号轮胎监视模块 n 号轮胎监视模块： 图1 - 1 直接式t p m s 系统结构框图 1 2t p m s 的国内外发展现状及趋势 2 0 0 0 年美国国会通过t r e a d 法案，该法案的要求之一是从2 0 0 7 年1 月起， 所有在美国销售的轿车都必须强制安装t p m s 。同一时期，n h t s a 出台了一项法 规，法规规定从2 0 0 3 年1 1 月到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 。2 0 0 5 年4 月8 日的今日美国报报道，到2 0 0 8 年，所有重量 在1 0 0 0 0 磅以下的四轮汽车都必须安装t p m s 。此时，美国汽车制造商宣称，他们 生产的汽车中已经有约1 8 安装了t p m s 。2 0 0 6 年，t p m s 在美国汽车业中已非 常普及，美国境外的t p m s 市场也己逐渐形成。在欧洲，t p m s 不再是仅面向高 端汽车的可选功能，而日益演变成标准功能【3 】。如今，鉴于美国的法律状况，t p m s 已经成为上市新车的标准配置。 我国早在2 0 0 3 年1 1 月颁布的机动车运行安全技术条件( 征求意见稿) 中， 就对安装轮胎气压检测装置做了一定的说明。从2 0 0 4 年初开始，国内厂家纷纷进 军t p m s 领域。2 0 0 5 年中国的t p m s 开发、生产厂商已多达2 0 0 家，其中有自主 设计和生产能力的约占3 0 ，但真正大批量生产的厂家很少，一批国内生产的汽 车开始将t p m s 作为标准配置。( 2 0 0 6 年中国t p m s 产业研究报告称，到2 0 0 6 年为止，国内的t p m s 生产厂家将近2 0 0 家，该报告预计，到2 0 1 0 年，中国t p m s 市场将爆发，规模有望超过3 0 0 万套【4 j 。 t p m s 的发展趋势可以从技术、产品两个方面来概括。从技术上来说，传感器 技术、接收器技术和发射器供电技术是其发展的几个主要方向。传感器技术将围 绕扩大压力和温度测量范围、高度集成化和无线化方向发展；接收器技术将围绕 采用l i n 或c a n 总线协议传送数据，实现告警显示与仪表显示一体化等方面展开 研究；发射器供电技术将围绕除电池供电外的其他供电方式，如向无源化方向发 展。从产品上来说，t p m s 产品在向适应高气压、多轮胎、具有多功能和使用寿命 2 第一章绪论 长的方向发展。 1 3 课题背景及意义 本课题来源于某机械厂的研制项目，旨在研发一套基于p s bt p m s 的针对大 型工程车辆、卡车等重型车辆的轮胎无线监测自控调压系统。该系统用于实时监 视高速行驶中的汽车轮胎气压和温度状况，在出现异常情况时进行告警，并可以 选择自动或手动调节方式对轮胎气压进行可靠、及时的调节，以保障行车安全。 本文主要工作在于该系统的电气部分( 包括气压、温度监测和电气控制两部分) 的硬件部分的中央控制模块的设计及实现。 汽车轮胎无线监测自控调压系统对t p m s 进行了功能上的扩充，使其不仅只 是起到预警的作用，还增加了调节轮胎气压的功能，最大限度地保证了行车安全； 同时，针对不同路况、不同载荷的复杂多变的实际行车状况，增加了参数设置功 能，对各种行驶条件下轮胎的气压异常情况有了更准确的判断；并采用低频唤醒 式实现了轮胎定位。 汽车轮胎无线监测自控调压系统顺应了t p m s 产品往多功能化方向发展的趋 势，具有一定的参考价值和市场应用前景。 1 4 论文结构及内容安排 本文主要介绍了汽车轮胎无线监测自控调压系统电气部分的系统设计和中央 控制模块的硬件研发过程。各章节内容分配如下： 本章简要阐述了t p m s 的发展现状和趋势，论述了项目的背景、创新点和意 义，说明了主要工作和论文的结构。 第二章，结合项目需求论述了系统的总体设计方案。包括系统的组成和模块 的划分、硬件的设计及软件的架构，主要芯片的选型及依据。 第三章，给出了中央控制模块各部分电路的硬件具体实现细节和电路原理图， 并阐述了硬件设计中考虑的主要问题。包括4 3 3 m h z 射频接收电路p c b 设计、 1 2 5 k h z 低频唤醒电路谐振回路电感线圈的选择、继电器控制回路可靠性和消火花 电路设计、电源电路设计等。 第四章，给出了中央控制模块各部分硬件电路测试程序的设计过程。首先介 绍了a d s 集成开发环境，然后研究了各部分电路的主要芯片的性能、工作时序和 3 电子科技大学硕士学位论文 配置方式，结合各部分电路应实现的功能设计了硬件测试程序，给出了主要函数 原型，并做了说明。 第五章，阐述了样机组成、主要电路的测试、系统功能的测试和指标验证的 结果。对现场安装、实测结果进行了总结。 第六章，给出了结论，提出了后续的研究工作，并对其应用前景做了展望。 4 第二章无线监测白控调压系统总体方案 第二章无线监测自控调压系统总体方案 2 1 系统设计需求分析 根据项目技术协议，汽车轮胎无线监测自控调压系统( 电气部分) 需要实现 的功能及指标归纳如下。 2 1 1 功能要求 汽车轮胎无线监测自控调压系统( 电气部分) 包括气压、温度监测和电气控 制两部分。实现的功能为针对不同路况、不同载荷情况，适时监测各个轮胎的气 压、温度值，在发现异常情况时告警并可进行自动或手动调节。具体实现包括： 正常工作模式下，驾驶室的中央控制模块以轮询方式适时( 每个轮胎相邻两次 被唤醒间隔为1 分钟) 低频唤醒各个轮胎监视模块： 轮胎监视模块被唤醒后控制其传感器测量轮胎的气压和温度值，并经过无线调 制发射，然后回到低功耗模式； 中央控制模块将接收到的数据进行分析处理，并在监视器上更新显示； 中央控制模块通过按键接收不同路况( 高速公路、一般公路、泥泞路面和沙路 雪地路面) 、载荷( 空载、半载和满载) 参数的设置，并调整其对应的异常情 况判定门限值，系统关闭前的最后一次参数设置值可以进行存储，以便下次系 统运行后自动恢复系统关闭前的最后一次参数设置值； 根据当前路面及载荷情况，当中央控制模块监测到轮胎气压或温度异常时( 胎 压高或低于正常值的2 0 ，轮胎温度高于7 0 ) ，通过二极管闪烁和蜂鸣器鸣 叫声光告警以提醒驾乘人员，系统进入异常工作模式，缩短对发生异常的轮胎 监视模块的唤醒间隔( 相邻两次被唤醒间隔缩短为1 秒钟) ，自动或手动控制 发生气压或温度异常的轮胎相对应的充放气电磁阀开、闭，从而实现充放气， 使其恢复到正常压力水平，以达到调节轮胎气压的目的； 在更换轮胎后，中央控制模块通过低频唤醒更换位置处的轮胎端，接收、存储 并绑定该位置的轮胎i d 号，实现轮胎的自动重定位。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 主要性能指标 根据系统的工作环境，产品化等要求，主要性能指标包括： 中央控制模块体积不超过2 0 0 m m x l 2 0 m m x 7 5 m m ，重量尽量轻。轮胎监视模块 体积不超过8 0 m m x 4 5 m m x 2 5 m m ； 射频频率工作在i s m 频段、最大发射功率不超过1 0 d b m 。 轮胎监视模块采用能量型锂电池( e r l 4 2 5 0 ，1 2 a a ，3 6 v ，1 2 a h ) 供电，其 安装方式使其电池更换较为方便。整个轮胎监视模块全部电路工作时最大功耗 不超过4 0 m a ； 系统抗干扰能力好，传输数据准确率高； 控制电磁阀的继电器工作必须稳定可靠，系统最终控制d c 2 4 v 0 5 a 电磁阀开 闭； 系统使用气压0 8 m p a ，传感器耐压1 4 m p a ； 系统测量精度要求：士2 以内； 电气设计应按汽车电子产品设计要求来设计，即成品中的电气、电子组件应与 汽车电源特性相容，能承受来自汽车电源的浪涌、尖峰电压和瞬时断电； 成品在承受预计的使用振动环境下( _ 5 g ) 能正常工作； 针对该系统轮胎端的安装方式，轮胎监视模块需有耐高低温( - 4 0 , , - 8 5 c ) 的能 力： 系统在车辆行驶至1 2 0 k m h 时能正常工作。 2 2 系统设计方案主要芯片选型 该系统主要是针对特定领域i c ( 压力温度传感器) 进行的二次开发。因此， 在系统方案的设计中，主要芯片的选型占有重要地位。主要芯片的选型一旦确定， 系统的整体方案也就基本确定。硬件的开发主要是围绕所选芯片搭建电路和后续 的调试；软件的开发则是根据软件设计的层次和架构，基于该硬件平台编写相应 的底层驱动程序和为实现相应的功能而编写顶层应用程序。 芯片的选型在考虑当前主流t p m s 方案的基础上，根据项目技术协议所提出 的实际需求，结合芯片供货渠道、性能、价格、技术支持、开发难易程度及教研 室具体情况等诸多因素进行了综合考虑。 6 第二章无线监测自控调压系统总体方案 2 2 1 传感器芯片的比较与选择 能在复杂多变的工作环境下准确地采集轮胎气压和温度值是该系统能正常工 作的必要条件，目前主要的t p m s 方案都是围绕传感器芯片展开的【5 j 。因此，t p m s 传感器芯片的选型是需要优先考虑的。 t p m s 传感器芯片集成了半导体压力传感器、半导体温度传感器、数字信号处 理单元、电源管理器及其他诸如加速度传感器、内部时钟、电压检测等附加模块。 这些模块使t p m s 传感器芯片不仅能实时测量轮胎气压和温度值，还具有自动唤 醒、节电等功能。t p m s 的压力传感器都是基于微电子机械系统( m e m s ) 技术设 计、生产的【6 】。根据测量原理主要分为硅集成电容式压力传感器( 如m o t o r o l a 公 司的m p x y 8 0 2 0 、m p x y 8 0 4 0 ) 和硅压阻式压力传感器( 如i n f i n e o ns e n s o n o r 的 s p l 2 、s p 3 0 ，g en o v a s e n s o r 的n p x l 、n p x 2 ) 【刀。由于各个公司设计理念的差 异，这几种主要的传感器芯片在性能和特点上各具特色，集成的模块也有区别。 下面将简要介绍这几种传感器芯片的大致情况，并将与项目要求相关的几项主要 指标进行比较，从而做出选择。 g e 的压力传感器的优势在于传统压力传感器与数字电路的完美结合，其n p x 系列传感器的发展趋势也体现了这种优势【8 】。n p x 系列传感器中固化了压力、温 度传感器的测量、补偿和校准程序；具有传感器断线检测，从而使t p m s 具有自 动检测功能，提高其在复杂工作环境中的可靠性；此外，可选的远程轮胎端唤醒 方式( 定时唤醒、加速度传感器唤醒方式、低频唤醒方式或外部唤醒方式) 也给 t p m s 的开发提供了充分的灵活性。 i n f i n e o n 公司面向t p m s 应用推出的s p 系列压力传感器整合了压力传感器、 温度传感器、加速度传感器和电池电压检测器，并配有一个能完成测量、信号补 偿与调整s p i 串行通信接口的c m o s 集成电路。同时，为了便于识别t p m s 接收 器，每个压力传感器都具有唯一的d 。该系列的传感器主要有s p l 2 、s p l 2 t 和 s p 3 0 。s p 3 0 具有s p l 2 的所有功能，并在此基础上集成了p h i l i p s 公司的微控制器 【9 】，从而使整个芯片的集成度更高，使得轮胎端的压力监测模块的开发设计更加简 便。 m o t o r o l a 公司的m p x y 系列压力传感器内部集成有一个可变电容的压力感应 元件、一个温度感应元件和一个有唤醒功能的内部电路，没有加速度传感器，采 用s s o p 超小型封装，同时还内置一个媒介保护过滤器和用于低功耗的耐压监控系 7 电子科技大学硕士学位论文 统( 可以使其硅片免受环境影响) 【l o j 。 表2 1 对三个公司的较新的t p m s 传感器芯片的主要性能指标进行了比较。 从表中可以看到m p x y 8 0 4 0 a 和s p 3 0 都提供了足够的压力、温度检测范围，其测 量精度也都符合协议标准；在测量时间上，m p x y 8 0 4 0 a 具有较快的响应时间，而 且在功耗方面，也略占优势。 表2 1 传感器芯片性能比较 项目参数( 单位)m p x y 8 0 4 0 as p 3 0n p x c 0 1 7 4 6 测量范围( 1 ( p a ) 5 0 0 9 0 01 0 0 9 0 01 0 0 4 5 0 气压测量精度( k p a l s b ) n c1 3 71 3 7 测量时间( m s ) o 56 测量范围( ) 4 0 - , 12 54 0 1 2 54 0 - 1 2 5 温度测量精度o 8 b i t1 l s b1 l s b 测量时间( m s ) o 21 5 测量范围( g ) 1 2 1 1 5 加速度 测量精度( g l s b ) n a 0 5n a 测量时间( m s ) 6 电池 工作电压范围( v ) 2 1 3 61 8 3 62 1 3 6 测量精度( m v l s b ) n a1 8 4l o 8 电压 测量时间( m s ) n a 1 7 待机电流典型值 o 6o 4 ( ua )最大值 o 9o 6 电流正常工作模典型值1 32 7 损耗式( n 认)最大值1 7 3 5 仅数字时钟典型值 0 4o 6 模块( m a )最大值 o 61 0 就唤醒方式而言，轮胎端为了省电，只有在必要的时候才采集数据并发射， 其余大多数时间应处于低功耗模式。s p 3 0 集成了加速度传感器，可以利用其质量 块对运动的敏感性，实现汽车启动自动开机，进行系统自检，但在轮胎端和中央 控制端的通信协议的设计上应考虑多个节点同时发射数据造成的冲突； n p x c 0 1 7 4 6 内部集成了低频唤醒模块，由主机发射低频信号来唤醒轮胎端工作， 需要在每个轮胎附近安装低频发射天线，这虽然增加了安装的复杂度，但这种方 式由中央模块控制轮胎端的发射，不会引起数据冲突，且通过唤醒特定位置的轮 胎端可以实现更换轮胎后的自动重定位，这也是协议上所要求的功能； m p x y 8 0 4 0 a 则不具有低频检测模块和加速度传感器，若采用低频唤醒的方式，需 8 第二章无线监测自控调压系统总体方案 要增加一块低频唤醒接口芯片。s p 3 0 和n p x c 0 17 4 6 内部都集成了p h i l i p s 公司的 微控制器，需要专门的开发工具进行开发，熟悉该类型的微控制器及获取相应的 开发工具增加了相应的开发周期及成本。 综合考虑，采用m p x y 8 0 0 0 系列m p x y 8 0 4 0 a 传感器芯片，结合a t m e l 公司 的1 2 5 k h z 低频唤醒接口芯片a t a 5 2 8 3 ，来实现低频唤醒方式的查询式轮胎气压温 度采集。 2 2 2 射频收发芯片的选择 协议要求射频频率工作在i s m 频段。工作在该频段的射频芯片有比较多的选 择，a t m e l 、i n f i n e o n 、f r e e s c a l e 、m a x i m 、m e l e x i s 、m i c r o c h i p 、n o r d i c 等公司都 提供了相应的方案。选择时主要考虑到与微控制器的接口、外围元器件是否复杂、 开发的难易程度及技术支持和应用文档的丰富程度、芯片的供货渠道、芯片的性 能( 接收灵敏度、发射功率和功耗等) 、芯片的尺寸等。这里选择了n o r d i c 公司的 单片4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 无线收发器n r f 9 0 5 ，其主要特点如下【l i 】： 单片集成数据收发功能； 工作电压范围为1 9 3 6 v ； 工作温度范围为一4 0 - - - + 8 5 c ，就本系统轮胎端的安装方式( 5 3 节介绍) 及实际 需求，可以达到要求； 与微控制器通过s p i 口进行通信，易于编程配置相应的寄存器和数据的收发； 外围元件需求少，无需外部s a w 滤波器； 硬件实现了“传输前监听 的载波检测协议、自动产生c r c 和前导码、有明 确的信号表明接收到正确的数据包和数据包自动重发，极大的简化了软件的开 发； 输出功率可调制到1 0 d b m ，典型接收灵敏度为1 0 0 d b m ； 较低的功耗。发射时( 输出功率为1 0 d b m ) ，工作电流典型值为l i m a ；接收 时工作典型电流为1 2 5 m a ； 3 2 脚o f n 小封装( 5 x 5 m m ) 。 2 2 3 微控制器的选择 微控制器的选择主要借鉴成熟的方案，结合项目的实际需求、教研室研发条 件、开发成本及周期、系统稳定性。轮胎端的模块还需要考虑功耗、体积、复杂 9 电子科技大学硕士学位论文 的工作环境的影响。 综合考虑以上因素，轮胎端监视模块选择了a t m e l 公司的a t m e g a 8 8 为主控芯 片。a t m e g a 系列单片机属于a t m e l 公司的a v r 系列单片机中的高端产品，承袭 了a t 9 0 所具有的特点，并在a t 9 0 的基础上，增强了更多的接口功能，而且在省 电性能、稳定性、抗干扰性及灵活性方面都更加周全。之所以选择a t m e g a 8 8 ，除 了完全满足本系统的设计需要之外，还考虑到了开发环境，成本及教研室实际情 况。根据本项目的需求，其满足的主要特点如下【1 2 】： 工作电压范围为2 7 5 5 v ； 工作温度范围为4 0 - - + 8 5 。c ； 一个具有可工作于主机从机模式的s p i 串行接口； 引脚电平变化可引发中断及唤醒微控制器； 具有五种休眠模式：空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和 s t a n d b y 模式； 极低功耗。工f 常模式( 1 m h z ，1 8 v ) ：3 0 0 u a ；掉电模式：1 8 v ，0 5 u a 。 中央控制模块选择了p h i l i p s 公司的基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 1 6 位a r m 7 t d m i s 微处理器l p c 2 2 1 4 为主控芯片。考虑如下：首先，由于a r m 7 处理器的广泛使用，其成本和普通中档次8 位m c u 差异不大；其次，中央控制模 块无论从功能上的划分以及较强的实时性要求都对软件的开发引入r t o s 提出了 必要性。同时，较一般的t p m s 中央模块扩展的自动控制部分也要求该处理器有 足够的i o 口可以使用。当然，i o 口的不足可以通过译码器等芯片进行扩充，但出 于整个系统稳定性的考虑，减少外围芯片是必要的。从软件和硬件的需求来看， 该款处理器都是较好的选择；第三，由于本系统中央控制模块采用车载2 4 v 电瓶 供电，所以对其功耗没有很高的要求；第四，对其开发环境、技术支持、供货渠 道都做了考虑。 l p c 2 2 1 4 的主要特点如下【1 3 】： c p u 操作电压范围1 6 5 1 9 5 v ，i o 操作电压范围：3 0 - - 3 6 v ，可承受5 v 电 压； 1 6 k b 片内静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 位宽接口加速器可 实现高达6 0 m h z 的工作频率； 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口； 多达1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) 。 1 0 第二章无线监测自控调压系统总体方案 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 处理器，l q f p l 4 4 封装： 2 3 系统总体设计方案 完成主要芯片的选型之后，下面将就硬件及软件两个方面来说明系统总体设 计方案。 2 3 1 系统硬件组成 中央控制模块硬件包括a r m 最小系统、射频接收模块、低频唤醒电路、声光 告警电路、继电器控制电路、液晶显示电路和按键模块；轮胎监视模块硬件包括 a t m e g a 8 8 最小系统、射频发送模块、低频唤醒电路和传感器模块。其系统硬件框 图如图2 。1 所示。 轮胎监视模块中央控制模块 m p 然$ 器0 4 0 a 哆 s p i 刈u h f - t x j 叫u n h f - r s xp 兰! ! 里i 鱼! ! q芤一妻当坦暨j 州n r f 9 0 5 ! ) ( y ! n ( ( ( 邕到 d 0 d 叮 一液晶模块 i n t 0 低