（电路与系统专业论文）车辆轮胎监测系统（tpms）研究及其主机电路设计.pdf

ab s t ra ct t p m si st h eabbre v i a t e df o 抽 o ft i r epre s s uremon i t o rs y s t e 口 ，下 h i c hi s u s e dt o.n i t or i 介t i r ep a r a 功 e t e r so f盯e s s ureandt e . p e r a t ure ，i tc a nc h e c k t h eabn o r . a l i t ya c c u r a t e ，andr e p ortt h e mt ot h edri v e ro ft h ec ar ， h e nt h e t i r e sarei nb a dc o n d i t i on，t h i si su s e fult oavo i dt h ea c c i d e n t ，t p m s毗k e s aut o mob i l et ob em o r ec 伽for t abl e ，口 。 r es a fel ya n dmor es 咖o t h l y .t p 光 1 5 c o 叩o s e do ft e rmi nalandb a s i ss t a t i o n .t h i sp 即e r i n t r o d u c e st h eb a s e d r e s e arc handd e s i gn o ft p m si nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ed e s i gn o fh ar面are s t ruc t u r e即ds o f t 贾 盯efun c t i o n . p o l l 叮1 雌i s t h e r e s e arch讲o c e s s : 1 ) r e s e arc h t h e r e l a t i o n s b e t 份 e e n t i r e l o s s e s ，t i r e m a n g 1 e s u s u a 1 l y 8pp e are di n k i n d s o f c ars a n d t i r e 盯e s s ure ， t i r e t e 叩e r a t u r e : 2 )d e f i n i t et h eb y g o n edev e l o p 田 e n t ，p r e s e n tc o n d i t i o nandt h e 加t u r ed e v e l o p m e n to ft h et 川5 : 3 )1 口 p r o v et h es t r u c t u r eo fb a s i ss t a t i o n ， ande x p l a i nt h ea d v ant a g e st hatc o in p are st ou s e ds t r u c t u r e ; 4 )f i n i s ht h e s y s t 印 盯i n c i p l e ，s t r u c t u r ei 1 1 u s t r a t i o nandt h ed e s i g np roc e s so ft h e 抽r d w a r eands o f t w areo fb a s i ss t a t i o n : 5 )for 口 u l a t eb a s i st e s tm e t h o r da n d p r o c e s s e s ， and a n a l y s e t h e t s e t r e s u l t s o f s y s t em， t h e n o b t a i n l a s t concl u s i o n . a c c o r d i n gt ot h e t e s t i n g o fl ab一 c o n d i t i o n s ， b a s i ss t a t i o nc an c o . 叨 u n i c 歌e ， e l l. i t ht e 饥i n a l :i tp r o v e dt ob e贾 i t hg oodp e r for 口 a n c e . k e y，or d s :b a s i ss t a t i o n ，t i r e ，p r e s s u r e ，t e 叩e rat u r e n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了 加以标注和致谢的 部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已 在论文 中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 二 丝咳一 啊 年2 月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可 以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 : 一 遐典一 一洲了 年7 月 了 日 硕士论文车辆轮胎监侧系统门 t m s 网究及其主 机电路设计 引发严重的交通事故。 在汽车的高速行驶过程中， 轮胎故障是所有驾驶者最为担心和 最难预防的， 也是突发性交通事故发生的主要原因。 据统计， 在中国高速公路上发生 的交通事故有7 既是由于爆胎引起的， 在美国这一比 例则高达8 溅。 怎样防止胎压处于 不正常的范围、 甚至爆胎，已经成为安全驾驶的一个重要课题。 据国家橡胶轮胎质量 监督中心的专家分析，保持标准的车胎气压和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。 而t p m s 一轮胎压力监测系统无疑是实现这一目 标的最理想的工具。 1 . 2 . 1 . 1 轮胎气压过高引起的危害 轮胎气压过高， 会使轮胎接地面积减小， 磨损加重， 而且还容易爆胎。 轮胎气压 过高，使轮胎的附着系数减小，降低刹车时的制动效果，增大侧滑量( 尤其是在有雨 雪的 路面上) ，对行车安全造成较大的不利影响。 轮胎的负荷能力和气压都是在设计时就己给定的。由于内压的增加， 轮胎各部位 的 变形和所受的内应力也相应增加。 内压增加只能使轮胎刚性增大， 载荷下的变形显 得较小而已。 胎面胶的橡胶分子链长期处于高度伸张和应力状态下， 其耐磨性显著下 降， 必然导致胎面胶， 特别是胎面中部加速磨损。 从轮胎结构看， 胎冠部位帘布层顶 部处于行驶面中心部位， 胎内气压向外扩张的作用力在胎冠顶部达到最大值， 使胎体 产生较大的径向伸长变形. 虽然胎面胶有一定的弧高， 但由于胎面中部最先与地面接 触， 所受的冲击力、 剪切力和磨耗也最大。 如果气压过高， 迫使胎面中部产生更大的 凸变，胎面弧高进一步增大，胎体帘线和胎面胶都处于过度伸张状态，内应力增大， 胎 面 与 地 面 的 接 触面 积 减 小 ， 单 位 压 强 增 加， 导 致 行 驶 面中 部的 磨 损 进 一 步 加 剧 l . 另外， 轮胎气压过高时， 增加了遇到冲击时被割伤的危险。 行驶中一旦受到障碍 物冲击，便会令胎体产生疲劳内裂甚至发生行车中的爆胎意外。 1 . 2 . 1 . 2 轮胎气压过高引 起的危害 汽车轮胎气压不足主要是充气不足或漏气造成的， 对汽车行驶安全影响较大， 并 且会造成经济上的浪费。气压不足时， 轮胎除了易受外伤以外，还会发生帘布断裂、 胎 冠剥离、 帘布剥离、 两侧磨损， 甚至爆 胎事故。 气压不足而使轮胎 产生 驻波( stand i ng 帕ve) 现象， 即因为胎压不足车辆在行驶时弯曲 部分来不及恢复原状而产生波状变形， 这种现象使转动摩擦力加大，轮胎生热高，从而降低轮胎强度。 同时， 轮胎屈挠变形量扩大，内部温度升高后， 导致胎面胶和帘布层脱离， 容易 发生爆胎。曲挠过大还会在花纹沟、胎侧产生龟裂和帘线断裂现象，加速胎肩磨耗， 影响轮胎的使用寿命。另外， 轮胎跳动过大， 造成胎圈部分和轮辆的异常磨擦，造成 胎圈损伤，产生安全隐患。 轮胎气压低时， 轮胎的滚动阻力加大， 必然会增加油耗。 而轮胎损伤造成的经济 损失重大，许多轮胎花纹还很深时，就因为胎肩或胎侧损伤严重而报废，十分可惜。 一般而言， 较低胎压与正常胎压的比率， 正是轮胎寿命的比率， 如果胎压仅是正常胎 3 车 辆轮胎监侧系统门 t 加 侣 珊究 及其主机电 路设计 压 的 5 璐， 那 么 轮 胎 的 寿 命 能 缩 短 为 轮 胎 正 常 使 用 寿 命的 5 喘 左 右 tll 。 据调查实测显示， 尽管运输户普遍换用高层级轮胎， 却广泛地存在低压行驶现象， 只有极少数使用者在使用轮胎时， 使轮胎气压达到规定的气压标准。 大部分使用者的 轮胎气压达不到标准是轮胎早期损坏而报废的主要原因， 其中轮胎气压不足而造成早 期磨损更是主要的原因之一。 由以上分析可见， 轮胎压力监测系统是汽车驾乘人员防止轮胎爆胎和延长轮胎使 用寿命的有效工具， 课题研究的目 的就是设计驾乘人员需要的 t 田5 轮胎压力监测系统 工具。 1 . 2 . 2 课题研究的 意义 轮胎压力监测系统可以带来显著的社会效益和经济效益。 轮胎压力监测系统的社会效益包括两方面: 1) 大大减少因交通事故引 起的 人身伤亡和经济损失。 轮胎安全对汽车安全行驶 的影响极大， 在轮胎出现故障或异常时通过轮胎压力监测系统一t p m s 及时地对驾驶员 进行预普， 可以提高轮胎的安全性能， 进而可以有效地降低汽车行驶， 特别是高速行 驶时发生交通事故的可能性。 2) 减少因丢弃报废轮胎和尾气排放引起的环保问 题。据世界卫生组织最新统计 结果，目前全世界每天有超过5 00万条废轮胎被丢弃.由于废旧轮胎回收和处理上的 困难， 目 前全球己有数以 亿万计的轮胎等待处理， 成为了环保的一大顽疾。 另外 ，机 动车尾气排放是当前城市空气污染的主要来源之一， 如何提高燃油的经济性， 降低尾 气污染， 是人们密切关注的问题。 实验证明， 轮胎压力和汽车的燃油经济性有着密切 的关系。 行驶相同的距离， 轮胎压力过低时将要消耗更多的燃油， 同时也排放出更多 的尾气。 通过使用轮胎压力监测系统及时的发现轮胎气压的异常， 就可以有效的解决 因轮胎压力异常引起的轮胎过度磨损和燃油过度消耗的问题。 轮胎压力监测系统蕴含着巨大的经济效益。目 前，世界汽车市场正在稳步扩大， 这种状况在中国更加明 显， 因为随着中国经济的增长和汽车整体价格的下降， 将会有 越来越多的中国消费者具有购买汽车的能力和愿望。 另一方面， 随着因轮胎压力问题 引起的交通事故在所有交通事故中所占的比例的增加， 越来越多的厂家开始重视轮胎 压力监测问题，目 前己 经有国家出台法律规定要求在汽车中 配置轮胎压力监测系统。 可以 预见，在不久的将来，轮胎压力监测系统将会和abs 、安全气囊一样成为汽车的 标准配置。 巨 大的需求将会产生巨大的市场， 许多与轮胎压力监测系统相关的企业将 会出 现，创造巨大的 经济效益。 1 . 3 t p m s 的历史、现状和发展趋势 轮胎压力监测系统一t 阳5 的概念出现在上世纪80年代， 到90年代已经有部分欧洲 的高档轿车配备了用于测量轮胎温度和压力的传感器。 到90年代末， 轮胎压力和温度 硕士论文车辆轮胎监侧系统0 下 翻 污 闷究及其主机电路设计 问 题开始备受人们关注， 这是因为当时的一些汽车组织对1 9 95年汽车事故的研究过程 中发现，在1 9 9 5 年发生的致命的汽车交通事故中，有6 47次与汽车轮胎胎压有关。同 时期的另一项调查研究表明，85% 的轮胎损毁是因为轮胎的胎压不足和胎压渐失引起 的， 美国 轮胎商业 杂志对7 66辆汽车的统计表明， 有72. 3%的汽车的轮胎胎压不足。 由 此可见， 一方面轮胎压力和温度对交通安全有重要影响; 另一方面， 缺少一种可以 方便的帮助汽车驾乘人员查看汽车轮胎压力和温度状况的设备。 所以， 轮胎压力监测 系统开始迅速发展。 最初的轮胎压力监测系统是间接式t p m s ，它的最大优点是不受压力传感器的限 制， 1 9 97年通用公司的部分汽车中就配置了这种间接式t p m s 。 随着传感器技术的发展， 压力传感器产品己经能够满足tpms系统的要求，从此以后直接式t p m s 开始迅速发展。 在国际市场， 2 0 00年5 月，直接式tpms在美国上市;2 0 02年发布的世界新车资料中显 示，美国 福特公司的林肯大陆，戴姆勒一克莱斯勒公司夏天上市的道奇( d odg e)迷你 厢型车，以 及c h r y sler 3 00m 等系列车型，都将装设直接式t 四5 。许多欧洲的 汽车厂 商也已 将直接式t 阴5 配装于自己的中高档车型之中，其中包括: 宝马公司的28、欧宝 公司2 0 0 2 年版威达、雪铁龙公司的cs，阿斯顿 马汀公司的超级跑车v anq uish， 旁蒂 克的旗舰bormevi l l ese 等等。 国内汽车制造巨头也已开始考虑将t p m s 作为原厂装备的 标准配置.日本a lps 电气2 003 年5 月从德国i q-枷bil枷bh获得了不使用电池的t p m s 技术并签订了独家专利授权合同， 借用该技术开发的t p m s 已通过欧洲和美国的电波法 认证试验，于2 004 年6 月起提供工业样品，2 0 05年量产供货。 在已有的t 川5 系统中， 有直接式和间接式两种类型，目 前还没有具有实用价值的 第三种类型的tpms系统出 现。 直接式t p m s 系统首先需要传感器实时测量每一个轮胎中 的压力和温度， 然后利用无线通信方式与t p m s 主机 ( 一般放置在汽车驾驶室内) 进行 通信， 主机可以显示各个轮胎的气压和温度信息， 并且在轮胎气压过低、 过高、 有漏 气或轮胎内温度异常时发出声音普报。 间接式t p m s 系统的依据是: 当行驶中的汽车的 轮胎气压变化时， 车身的重量会使轮胎直径变化， 轮速也会发生变化; 此时通过汽车 abs ( 自 动防抱死系统) 的轮速传感器来比 较轮胎之间的转速差别，就可以达到监视胎 压的目的。 和直接式tpm s 系统相比较，间接式t p m s 系统相对便宜，己经装备了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即可使用间接系统。 但是， 目 前 这类系统没有直接系统准确率高，而且无法监测出多个轮胎同时低压或高压的情况， 这些缺陷限 制了间接式t p m s 系统的发展。 另一方面， 随着传感器技术的发展， 压力传 感器的成本已 经大幅度下降。由此可见， 在未来的t p m s 系统中， 直接式t p m s 系统必将 占 据 主 导 地 位 2 。 本文中凡是没有明确说明的，所提到的t pms 均是指直接式t p m s . 硕士论文车辆轮胎监侧系统 冲加 侣 ) 研究及其主机电 路设计 1 . 4 课题主要研究内 容 由以 上论述可知， 直接式t p m s 系统主要由主机模块和副机模块组成。 本课题主要 研究直接式 t p m s 系统的主 机模块， 包括设计数据处理单元和无线网桥两大部分的内 容。 在整体 研究了 t 即5 系统的 基础上， 重点论述主机模块的结构特点和设计依据、 各 模块的设计过程，以 及各个元件的连接方式。 全文主要涉及六个方面， 主要在六个章 节中分别论述: 第一章为概述，比 较全面的介绍了t pms 系统概念，体现了本课题的意义。 第二章主要内容为 t p 璐系统整体结构和安装方式的研究， 并且说明了当前的t p m s 系统的结构和安装方式， 最后对本系统和当前t p 协 5 系统作了比 较， 论述了本t p 把系统 的优势。 第三章论述了主机模块的总体设计方案。 该设计方案不仅使主机模块完善的具备 了 t p m s 主机模块的功能， 且具备较强的扩展性能， 更重要的是主机模块中创造性的设 计了无线网 桥，从而极大的提高主机与副机模块的无线通信稳定性。 第四章详细论述了 t 刚5 主机系统数据处理单元设计， 论述了数据处理单元内各模 块的设计方法和过程。 第五章论述了无线网 桥模块的设计， 介绍了无线网桥模块在实现通信稳定性方面 的作用，论述无线网桥模块的设计过程。 第六章论述了系统测试与对t 刚5 系统的展望， 证明了 本t p m s 系统的可行性和优越 性，并对整个研究过程作了总结。 硕士论文车辆轮胎监洲系统门 下 ms ) 研究及其主机电 路设计 z t p m s 整体系统设计研究 2 . 1 传统t 四5 系统的 实现方案 t p m s 系统， 根据其 判读轮胎压力和温度的 方法分类， 可分为两大类: 第一类是间 接式t p m s ， 这是一种基于车轮转速监测轮胎压力的 t p 盛， 它通过比 较各个车轮转速的 不同间监测汽车的某一个车轮的轮胎气压状况。 第二类是直接式t p m s ， 这是一种通过 温度/ 压力传感器测定轮胎压力和温度的t 阴5 ，测定的数据需要通过无线方式发送到 主机模块处理。主要说明传统的直接式t p 幼 5 系统的主机模块的实现方案。 2 . 1 . 1 间接式t p 璐系统 间接式t p m s 是通过汽车abs 系统的 轮速传感器来比 较车轮之间的 转速差别，以 达 到监视胎压的目 的。 上海通用别克轿车安装的即是这种间接式t p m s 。当汽车行驶时， 轮胎气压监测系统接收4 个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析.当某一 个轮胎的气压太高或不足时， 轮胎的直径就会变大或变小， 车轮的转速也相应产生变 化。 监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的 标准值比较， 就可得出轮胎气压太 高或不足。 该类型系统的主要缺点是无法对速度超过1 00公里/ 小时的情况进行判断。 同时，由间接式t 阳5 判断轮胎缺气的原理可知，当多于两个轮胎同时低压或高压时， 系统将无法正常工作。 2 . 1 . 2 直接式t p 璐系统 直接式t p m s 是利用安装在每一个轮胎里的以 铿离子电 池为电源的压力传感器来 直接测量轮胎的气压和温度， 并通过无线调制将数据发送到t p m s 系统主机。 安装在汽 车驾驶台附近的主机监视器实时显示各轮胎气压， 驾驶者可以直观地了解各个轮胎的 气压状，当轮胎气压出 现太高、太低或有渗漏情况时，系统会自 动报带。 传统直接式t pms 系统的结构框图如图2 . 1 . 1 所示。 主机撰块 r - - - - - - - - - . 一贾 . 一 .万 兮 - - - - 二 . . . . . . - 二 1 机摸块 图2 . 1 . 1 传统直接式t 日 侣系统结构框图 硕士论文车辆轮胎监侧系统门 t 加 唱 解究及其主机电 路设计 3 t 四5 主机模块总体设计 3 . i t p 盛主机模块设计要求 随着t 四5 系统的快 速发展， 目 前满足市场需求的t p m s 系统主机模块应具备如下 特点:1)具备比d 显示界面，能 够在各种环境下清晰的显示各个轮胎的 压力和温度 信息; 2) 具备用于人机通信的键盘， 主要用于驾乘人员查看轮胎压力/ 温度状况和设 置系统标准参数;3) 具备声音警报装置，在轮胎气压或温度处于非正常范围，或是 轮胎气压变化速度很快 ( 例如轮胎漏气)时， 提供不同的警报提醒驾乘人员注意; 4) 具备可扩展性， 预留可以为汽车的其他数字系统提供轮胎温度压力和温度数据信息的 接口;5) 系统可靠性高，使用和维护方便。 依据以 上分析， t p m s 主机的设计要求: 1) 设计直接式t p 溺系统主机模块。 2 )与副机模块准确、稳定的通信。 3) 报普功能。 ( 1) 轮胎压力过低/ 过高: 在汽车轮胎压力高于或低于正常工作电 压范围时，系统应能够迅速报普， 并且系统能够方便的调节温度/ 压力的上限和下限; (2 )轮胎压力变化过快: 当轮胎的气压发生变化时， 系统应能够迅速报带。 在判断压 力变化时，系统可以 通过监测轮胎压力变化的 速度， 分别报告 “ 胎压慢漏” 和 “ 胎 压急漏” ， 压力变化的报馨阀值应能够手动设置;( 3) 轮胎温度过高: 当轮胎温度过 高时， 系统应能够迅速报警， 轮胎温度的报替阀值应能够手动配置;( 4) 轮胎模块故 障: 当轮胎 t p m s 系统主机模块长时间无法与副机模块进行数据通信时，系统应报苦， 提示驾驶员对相应轮胎模块进行维修或更换。 4) 具备键盘接口 和l cd显示。利用键盘和lcd 显示，汽车驾乘人员可以查看任意 轮胎的 气压和温度状况， 设置轮胎压力报鳌阀 值和轮胎温度报普阀值， 给轮胎副机模 块发送复位信号等等。 5) 系统互联功能。汽车的系统互联体现在汽车网络技术的研究和应用过程中。 目 前有多种网络标准， 其中 应用最广泛的是b osch公司的 c an。 c an以 其良 好的运行特 性， 极高的 可靠性和独 特的设计， 特别适合于现代汽车各电 子控制单元之间的互联通 信。 到目 前为止， c an网络在国外， 特别是在欧、 美等国家的汽车上应用已非常广泛， 显示出了良 好的发展前景。结合当前我国汽车网络的发展情况，c a n 总线在汽车中的 应用已 很普及，因此在汽车轮胎压力监测系统的设计中，要求该系统具有c a n 接口， 实现与汽车内部的其它电 子单元进行数据和信息的共享，充分利用汽车上已有的资 源， 也可为其它单元提供胎压等信息，如即将出 现的车载自 动充放气系统。 6) 其他要求。在满足基本的性能和稳定性的基础上，要做到尽量降低产品的成 本、尺寸、重量和功耗等。 硕士论文车辆轮胎监测系统f 印栩 旧 姗究及其主机电路设计 3 . z t p 盛系统主机方案 3 . 2 . i t p 盛系统主 机框图 t p m s 系统主机模块结构方框图如图3 . 2 . 1 所示。 产-.-. -.-.-.-一尸. .-.-.一，.-.-.尸一， 图3 . 2 . itpm s 系统主机模块结构框图嘘线框外为副机模勿 3 ， 2 . z t p m s 系统主机模块组成 由图 3 . 2 . 1 可知， 本 t p m s 中的主机模块由 数据处理单元和无线网 桥两部分组成。 四 个无线网桥中的四 个r f 无线网桥分别安装在四个轮胎附近， 与副机模块中的rf芯片 进行无线通信， 及时 把数据送入数据处理模块。 数据处理单元根据接受到的数据判断 轮胎参数是否正常， 如果发现异常， 则及时发出相应的报替。 同时， 数据处理模块通 过c a n 总线与汽车内 部的 其它电子系统相连，实时地共享数据和控制信息。 3 。 2 . 2 . 1 数据处理单元 数据处理单元由 中 央处理器、 稳压电 源、 键盘、 l c d/ 报普蜂鸣器、 d c pl网络主 电路和c an总线接口电路组成。 叱p l 网 络主电路是轮胎压力和温度数据进入数据处理单元的接口， 数据处理单元 硕士论文 车 辆轮 胎监 侧系统( 冲m s 网究及其主机电 路设计 对数据进行分析， 以 判断相 应的 轮胎温度、 压力值是否处于正常状态并将其显示出 来。 如果发现轮胎的参数值异常，数据处理单元迅速通过显示/ 报曹电路对驾驶员提示， 指导驾驶员 进行相应的操作。 同时， 当出 现轮胎模块出 现故障， 无线通信频段干扰信 号过强等原因 致使数据处理单元长时间无法收到来自 轮胎模块的数据时， 数据处理单 元也会进行报警，提示驾驶员对轮胎模块进行检查。 另外，随着c an总线在汽车上的应用越来越广泛，当前出厂的轿车中都带有c a n 总线系统。因此，在系统中 加入了 c an总线接口，使t p m s 可以和汽车中其它的电子系 统共享数据与控制信息，以进一步提高系统的灵活性。 3 . 2 . 2 . 2 无线网 桥模块 无线网 桥模块包含几个由 dcpl网络从电路和相应的rf电路构成的无线网桥。 无线网桥 模块中包含几个dcpl网 络从电 路和rf电路。 d c pl网络从电 路是rf无线网 桥和主机模块通信的接口。 每一个rf芯片对应一个副机模块， 负责与副机rf电路通信。 3 . 3 t p m s 系统主机技术指标 车辆轮胎监测主机主要技术指标: 1 )1作电压:1 2 vi)c 2 4 vi)c : 2) 工作环境湿度:簇9 帐; 3) 显示方式:数字及图案显示;压力/ 温度; 4 )收发频率:4 3 3mhz / 3 1 5川2 ; 5) 传输速率:)4 . s k b it/s: 6) 静态功耗:(5 讯 7) 工作温度:一 40+80 ; 8) 报警模式: 声音和l ed; 9) 无线调制方式: f sk; 1 0) 接收灵敏度:一 1 1 o db。 3 . 4 本章小结 本章首先分析了目 前的t 川5 系统的产品要求， 据此得出了t p m s 系统主机模块的 设计要求， 在直接式t pms 系统为基础上结合d c pl总线技术， 设计出了一种具有很高 数据通信稳定性的t 川5 主机模块整体结构。 硕士论文车辆轮胎监洲系统门 下 加 侣 ) 研究及其主机电路设计 4 数据处理单元设计实现 数据处理单元的实 现包括中央处 理器选择和软件设计、 总线接口电 路设计、 人机 接口电 路设计、 声光报带电 路设计和c an接口电 路设计。 中央处理器选择和软件设计 是设计的核心。 本章主要内容是论述数据处理单元五个模块的功能设计、 器件选择、 中央处理器 模块与其他四个模块的互连以及控制方式等。 在整个t 即5 系统主机模块的构成中， 数据处理单元的主要作用是: 1) 以循环的 方式串行采样各个轮胎的压力/ 温度信息数据; 2) 判断轮胎压力温度是否处于正常状 态:3) lcd显示器可以自 动/ 手动显示相应轮胎压力温度值; 4) 轮胎压力故障时蜂 鸣器提示出现压力异常或温度异常;5) 驱动c a n 总线接口。 4 . 1 基于单片机pic 18 f458的中央处理器的设计 4 . 1 . 1 中央处理器功能算法设计 中央处理器的作用是实现 t p m s系统压力/ 温度监测过程和驱动管理主机模块的 其他构成。主机最重要的功能算法可用图4 . 1 . 1 所示的功能算法流程图描述。 图4 . 11 中 央处理器主要功能算法流程图 主机的 功能算法另外还包括用于响应键盘操作的子功能算法， 在t p m s 系统主机 l 6 硕士论文车辆轮胎监侧系 统门 下 m s 珊究及其 主机电 路设计 模块中， 键盘的主要作 用是手动查看轮胎的 压力/ 温度状态和手动设置系统参数。 键 盘响应子功能算法可用图4 . 1 . 2 所示的算法流程图表示。 幼入端口 状态 改写相应 豆示留存 弓 改写相应 必据每存 招 一l一 一 - 一. 一 - 一 - 替 图4 . 1 . 2 主机键盘响应子算法流程图 以上算法可以 用软件或硬件设计实现. 软件设计实现即是选择一款满足系统资源 要求 ( 主要是寄存器和引 脚的数目)的微处理器， 然后设计软件， 实现系统功能。 硬 件设计实现即是基于可编程逻辑器件设计主机系统的中央处理器专用芯片 ( a s i c)。 本课题研究过程中拟 基于单片机 pic 1 8 p458 使用软件设计实现方式实现系统算 法功能。 同时， 鉴于硬件设计实现方式有很多软件设计实现方式不具备的优势， 对硬 件设计实现方式作初步研究，为日 后系统的改进提供一个良 好的基础。 4 . 1 ， 2 单片机p i c 1 8 f45 8 简介 plc18 f 458 是美国 微芯公司推出的1 6 位r i sc指令集的高性能单片机c pu。 该款单片 机不仅集成了 强大的外围功能模块， 而且因其特殊的单片机特性( 如:自 振式看门狗、 可编程代码保护功能、 休眠省电方式等) 及先进的f l 八 s h 技术( 低功耗、 高增强型f l a s h 技术， 全静态设计， 2 . 0 5 . sv宽范围的工作电压， 工业级和扩展级温度范围) ，可以 适 用 各 种 控 制 场 合。 其 主 要 的 性 能 特点 川 包 括: 1 )高性能的r i s cc p u 具有高达32kb的 f l a s h 程序存储器和2 姗的 程序存储空间: 高达4 kb的数据存储器; 高达1 0 斑ps的执行速度; 戊该 0 阳2 时钟输入; 4 10阳: 带p ll锁相环有源晶振/ 时钟输 入;1 6 位宽指令， 8 位宽数据通道:带优先级的中断;8 x 8 单周期硬件乘法器。 2) 外围 功能模块 具有por t a porte 五组1 /0端口:定时器/ 计数器t m r o t m r 3 模块;捕捉/ 比 较 / p 侧( ccp)模块; 增强型捕捉/ 比较/ p 侧( e c c p ) 模块: 主同步串行端口; 可寻址的通用 同步/ 异步收发器;c an控制模块:10位a / d 转换器模块:比 较模块。 由以 上可知， p i c 1 8 f 1 4 58完全适合本系统要求， 而且设计方便。 本课题主要使用p i c 18 f458的c pu、内部程序/ 数据存储器、1 阳端口、通用同步/ 异步收发器和c a n 控制模块。具体的引脚设置和模块设置将在下面详细论述。 硕士论文车辆轮胎监侧系统仃p ms 舟究及其主机电路设计 4 . 1 . 3 plc18 p458异步/ 同步收发器 ( u s a 叮)的设计与应用 1 )p i c 1 8 f 1 4 5 8 单片机异步/ 同 步发生器 通用同 步 / 异步收发器( u s a r t ) 模块是由pic 1 8 f 4 58内的三个串行1 /0模块组成 的器件之一， 可以配置为全双工异步方式、 半双工同步主控方式、 半双工同 步从动方 式三种工作方式。 t xsta是plcl8 f458单片机串 行通信发送状态和控制寄存器， rcs t a 是接收状态和控制寄存器。 本课题中 采用异步工作方式。 2) usa rt串 行通信协议设计 设计数据处理单元与无线网桥的申 行通信协议时， 应尽量提高数据传送速度， 同 时充分使用系统以 具有的串 行数据通信模块。 ( 1) 数据波特率 为减少数据发送时间， 数据传送速度应尽可能的大， 定义数据波特率为 9 6 o 0bp so (2 )usa r t 串 行通信报文格式 u s a r t 串 行通信使用的 报文格式有两种. 第一种类型的报文是无线网 桥接收到数 据处理单元的数据请求后，向主机数据处理单元发送的包含压力/ 温度信息的一组数 据构成的数据包;第二种类型的报文是需要调整副机的压力/ 温度校正参数时，主机 数据处理单元向无线网桥发送的包含压力/ 温度校正参数的一组数据构成的数据包。 数据处 理单元向 无线网 桥发送的 报文的格式如表4 . 1 . 1 所示。 表4 . 1 . 1 数据处理单元向无线网桥发送的报文格式 报头轮胎 id命令字压力校验系数温度校验系数奇偶校验报尾 8 一 b i t8 一 b i t8 一 b i t8 一 b i t8 一 b i t8 一 b i t 8 一 b i t 表4 . 1 . 1 中的数据包的构成的含义:报头是串 行数据包的发送开始的 标志;轮胎 功用于无线网桥判断当前的数据包是不是发给自己的; 命令字是主机发送给副机的控 制信号，其内容是事先定义好的两个数据，当命令字为o xffh时，为数据请求命令， 此时数据包中不包含压力校正系数和温度校正系数: 当命令字为oxfd时， 为副机模块 调整校验系数命令，此时数据包中包含压力校正系数和温度校正系数;温度/ 校正压 力系 数用于修正副机模块中的 传感器在使用过程中 产生的 测量精度下降问 题; 奇偶校 验码用于无线网 桥分析接收到的数据是否是有效的; 报尾是串 行数据包发送结束的标 志。 无线网 桥向 主机发送的 报文的格式如表4 . 1 . 2 所示。 表4 . 1 . 2 无线网桥向 数据处理单元发送的报文格式 报头轮胎 id压力数据温度数据电压数据奇偶校验报尾 8 一 b i t8 一 b i t8 一 b i t8-b i t8 一 b i t8 一 i t8 一 b i t 表4 . 1 . 2 中的温度/ 压力/ 电压是分析轮胎状况的数据; 其余数据含义与表4 . 1 ， 2 硕士论文车辆轮胎监侧系统门 下 ms 闷究及其主机电 路设计 中的相同。 4 . 1 . 4 单片机软件设计 主机软件主要包括 主程序和u a r t 串 行数据接收中断服务程序两部分。 微处理器pic 18f458主程序软件流程图如图4 ， 1 . 3 所示: 图4 . 1 . 3 主机数据处理单元软件流程图 usa r t 串 行数据接收中断服务程序软件流程图如下页图4 . 1 . 4 所示。 另外， 主机键盘响 应功能 设置是通过三个按钮设置轮胎压力 温度报警上限和下限 等系 统参数， 其中一个按钮用于 选择设置选项和确定， 另外两个按钮分别用于将计数 器加1 和减1 并显示: 手动读数功能是根据计数按钮的中断， 判断要读取的轮胎的位 置， 然后立刻显示该轮胎当前的轮胎压力温度值。限于篇幅，在此不作详细说明。 主机数据处理单元软件采用c 语言编写，在m 工 c r ochip 公司的 淤l ab i de及pic c 18 集成调试环境下进行设计开发和调试，程序烧写到芯片后再上板调试。 硕士论文 车辆轮胎监月系统( 冲、 旧 解究及其主机电路设计 图4 . 1 . 4usa 盯串 行数 据接收中 断服务 程序软件流程图 4 . 2 总线接口电路设计 在t p m s 主机模块中， 使用的总线是dcpl现场总线， 数据处理单元中的总线接口 采用d c p l 网络主电路。 4 . 2 . i dcpl网络主电路 在本课题研究的t p m s 系统主机模块中，数据处理单元需要通过总线访问不同的 无线网桥。由 于汽车本身较为复杂的环境，常用现场总线如c a n现场总线、 rs碑 85 总线等等都不适合来解决网络智能用电计量信息终端的通信问题， 所以课题组就自 行 研制了一种d cpl现场总线。 dcp l 全称为d i r e c t c u r r e n tp 湃e rl i n e( 基于直流电的电力线载波通信) ， 是 课题组自 行研制的一种现场总线， 它是一种可进行远程寻址的、 具有现场总线类似体 系结构的、 两线制的、无极性可以供电的、 半双工现场通信总线， 其目的是通过两线 制现场总线数字通讯与给无线微型网桥进行供电。 d c pl网络电路采用非对称性结构， 包含dcpl网络主电路和dcpl网络从电路两部分。 数据处理单元中采用的 是戊p l 网络主电路，其原理框图如图4 . 2 . 1 所示。 图4 . 2 . 1 优p l 网 络主电路原理框图 硕士论文车辆轮胎监侧系统 开卜 旧 闷究及其主机电 路设计 dcpl网络电路工作原理框图如图4 . 2 . 2 所示。 万主帆与从机裁据通讯调刹4 分号伪抽示意留 月，自 套 图42 . z ocpl网络工作原理框图 4 . 2 . 2 数据处理单元总线接口 与单片机互连原理图 数据处理单元总线接口与单片机互连原理图如图4 . 2 . 3 所示。 ，.。 r-.-.-.，-.-.-一二 .-一仲. 几d 而 总 抽端1 双力 肚 尤 7 / 朋 尤 盯饮 u一u 初一佃 翻比 p i ci 助心 b 日 用日办月脚or九 总线端2 c ol 仁 0 2 c o 3 c o d 黛生 民p l 网绍主电路 图42 . 3 数据处理单元总线接口 与单片机互连原理图 由原理图可知ocpl总线负责与系统的无线网 桥模块通信， 接受轮胎压力/ 温度信 息和发送控制信号。p i c 18f458 使用其 usa 盯 模块接收轮胎压力/ 温度数据和发送控 制信号。 2 l 硕士论文车辆轮胎监汤系统 开m s ) 研究及其主机电路设计 e 刚240f10 oc4 是小 规模的cpld芯片， 其在数据处理单元总线接口 电 路中的主要 作用是扩展单片机接口，实现对dcpl 网络主电路的控制;为实现这个功能只需要在 该电 路内部结构中生成一个相应的组合电路。 本电 路中p i c 18 以58的 逻辑引 脚的功能和设置如下: r c 6 / t x :设置为usa rt异步传输工作模式，用于串行输出数据; rc7/rx: 设置为us art 异步接受工作模式，用于串 行接收数据; rbi : 设置为输入引 脚工作模式， 用于单片机p 工 c 1 8 f 4 58接收况p l 网络主电路的 有关串行数据接收的控制信号; rb6 ，rb7 :设置为输出引脚工作模式，用于 dcpl 网络主电路控制电路 e p 肥4 0fi o 0c4 的控制逻辑输入。 4 . 3 显示/ 报替电路设计 系统的显示/ 报鳌单元包含两部分:液晶显示电路和l ed指示灯。每个l 印指示 灯对应汽车的一个轮胎， 系统上电复位后，每个l ed指示灯具有相同的功能。 4 . 3 ， i l e d 指示灯的设计 系统处于工作状态时， led 指示灯用于指示相应轮胎的状态，具体的设计如下: 1) led 灯不亮表示可以 正常的接收到轮胎模块发送的数据帧; 2) l e d 灯间隔一定时间闪烁一次表示压力信息正常; 3) led 灯间隔一定时间 连续闪 烁两次表示相对应的轮胎压强低于低压限; 4) led 灯间隔一定时间连续闪 烁三次表示相对应的轮胎压强高于高压限; 5) led 灯间隔一定时间连续闪烁四次表示相对应的轮胎温度低于低温限: 6) l e d 灯间隔一定时间连续闪烁五次表示相对应的轮胎温度高于高压限; 7) led灯连续闪烁表示己 长时间未收到来自 相应轮胎模块发送的数据，怀疑是 轮胎模块出现故障。 4 . 3 . 2 液晶 显示模块设计 液晶显示模块采用的是1 28x 64点阵液晶显示器，可以显示轮胎的压力、温度数 值，同时也具有报替信息的显示功能。 在系统工作过程中， 液晶显示介面如下页图4 . 3 . 1 所示。 其中各部分功能如下: 1) 轮胎位置指示: 代表当前显示的模块， 显示内容可以是l f(左前) 、 lr( 左后) 、 即( 右前) 和rr( 右后) 。 系统工作时， lcd 轮流显示各个轮胎的状态。 2) 轮胎压力值:显示当前轮胎的实际压力值。 3) 轮胎温度值:显示当前轮胎的实际温度值。 4) 轮胎低压指示:如轮胎压力低于低压限，则显示lp，否则不显示 5) 轮胎高压指示:如轮胎压力高于高压限，则显示hp，否则不显示。 硕士论文 车辆轮 胎监 测 系 统 ( 钾卜 侣 研究 及 其 主 机电 路设 计 6) 当前功能选项:显示当前选定的功能。 轮胎压力值轮胎低压指示 图4 . 3 . 1 系统工作画面 4 . 3 . 3 l cd选择 lcd 显示器件选择抽 gls 一 1 2 864 。其内部框图如图4 . 3 . 2 所示。 鬓易 u匀.月 乙 5 -立 2 d 8 叨 1 2 台 . 砚 万50 1 0 栩 日 门 rs 0 1 0 8 日盆5 01 0 8 右 口口 c ，一1 加卜7!.口口 i 朋 口 川 百 口 皿 图4 . 3 . z mgls一 12 6 8 4 内部 框图 该类液晶显示模块采用的驱动控制器都是 ks0 1 0 8b 及其兼容的驱动控制器， ksol08b 及其兼容的驱动控制器是一种带有列输出的图形驱动控制器， 与k s o i o 7b配 合进行行列驱动可直接与8 位微处理器相连。其引脚c sa、csb 用于选择左右半屏， rs决定输入的是数据还是命令， r / w 决定是读操作还是写操作， e 是模块的 使能引 脚。 4 . 3 . 4 显示/ 报苦电路原理图 主机实现l c d 显示、 l ed显示和声音报警的电 路原理图如下页图4 . 3 . 3 所示。 l c d 显示、 l ed显示和声音报警原理详细设计: 1)lc d 显 示 设 计 原 理 sj : p l c 18 f4 58的1 /0口 具 有 很 强 的 驱 动 能 力， 其p o rt d 口 最大可通过25ma的拉电 流和灌电 流， 可以直接驱动l c d 显示， 所以在显示/ 报替电路 中， por t d 口 直接与l c d 液晶显示模块数据口 相连， 进行数据交换和指令发送。 液晶 硕士论文车辆轮胎监侧系统( 冲k 侣 姗 究及其主机电路设计 显示器m g ls1 2 8 64的工作电 压为: 一 sv一十 s v ， 且其内 部己 集成了 所需的负电 源， 这样， 粥ls12 864 的vout引 脚将输出 一 sv。 在实际的电 路中是将vo接在电 位器的可调端， 电位器两固定端接在vout和g n d 的引脚上， 通过调节vo 的电压来改变液晶显示器的 亮度。 珊ls1 2 8 64第19和第20引 脚ledj+、 l e d 一 作为背光电 源， 本设计