首届ST-EMBED电子设计大赛.doc

首届ST-EMBED电子设计大赛参赛作品：长途货车伺服系统 SERVO SYSTEM ON TRUCKS RUNNING LONG DISTANCE参赛学校：华中科技大学参赛学生：杨博、胡峰、张腾指导老师：韩涛参赛队号：A354长途货车伺服系统杨博，胡峰，张腾，戴洪均指导老师：韩涛摘 要本系统采用ST公司的ARM7芯片STR710FZT6为核心进行设计，通过一系列的外部电路实现的。基本上实现了当前长途货车运行过程中出现的特殊问题的解决。本系统针对长途载重货车的特殊情况，包括了以下几个模块：倒车雷达、夜间防盗、防爆胎。通过一系列的传感器，采集到相应的各种信息送入ARM中进行综合分析，并对得出的结果进行处理后用直观的方式呈现给司机，避免行车过程中司机不必要的麻烦。对于防爆胎这一常见而棘手的货运问题，我们采用的是无线直接TMPS方案，通过一个前端探测发射模块和后置接收处理模块完成。针对大型长途货车经常出现的在路况不好的情况下倒车困难而设计的倒车雷达和长途货车司机由于长时间驾驶出现夜间疲劳导致的夜间失窃问题而设计的防盗模块则主要采用的是超声波探测。通过这样无论一些技术上还是成本上都容易实现的改进，可以极大的改善长途货车司机这一特殊高强度劳动者的驾驶舒适度。关键词：长途货车；TMPS； 超声波探测SERVO SYSTEM ON TRUCKS RUNNING LONG DISTANCE Yang-Bo Hu-Feng Zhang-Teng Dai-Hong-JunAbstractThis is a system designed for the drivers of trucks in china who take it as professions, and making it a possibility to travel long distance with in a short time, which always means they have to keep driving for days in districts where the road is really tough for driving. By the information gathered from detectors inside the tyre, the ARM could show the driver the tyre pressure timely. Anther tow detectors are to check the conditions of the road backwards which are especially useful when the truck running on some mountain area and back the truck necessary, and to guard the money which is prepared for the traveling fees when the driver need to take a rest and which always means sleep deeply and an good chance for the thieves. Those three different detectors constitute the basic three modules whose essential components are TMPS and ultrasonic systems, respectively. However ordinary this system sounds like for the producers of trucks, it will largely enhance the safety and the convenience of the truck drivers.Key Words trucks, TMPS, ultrasonic一、 背景交待与选题思路在当今社会，车辆已经逐渐成为了人们日常生活中的一部分，关于汽车的各种新技术也层出不穷，但是放眼望去，绝大多数的厂家和研究机构的研究方向过多的集中在了本来已经相当舒适便捷的家用轿车尤其是高档轿车上。而作为汽车家族中的特殊群体，即大型长途货车的各种技术在近几年中却并没有取得像轿车那样的长足进步。在中国这种特殊的情况下，大量的货车司机面临驾驶长途载重货车特有的各种棘手问题而束手无策，譬如：屡见不鲜的爆胎问题，直接导致货车的搁浅，引起极大的不便。再如长时间驾驶后在没有专门的停车场的情况下停车休息，由于极度疲劳导致的贵重钱物丢失现象以及大型长途货车在马路很窄的情况下由于车身过长引起的倒车不便等等。针对这些具体而实际的问题提出解决方案，我们认为更有现实意义。综上所述，本系统分为三个部分:防爆胎模块、夜间防盗模块、倒车雷达模块系统整体框图如图1所示： ARM主控芯片超声波发射端超声波接收端射频发射接收端LED显示处理音频报警及提示轮胎嵌入式胎压检测与射频发射与接收图 1以下分别对各个子模块进行论证。1. 防爆胎模块方案一：间接式TMPS, 它通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100km/h的情况进行判断。目前这类系统的准确率没有直接系统高，故障轮胎的确定也很困难，而且系统校准极其复杂。方案二：直接式TMPS, 它利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的压力，并通过无线调制发射到安装在驾驶室的监视器上，监视器随时显示各轮胎的压力，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低,渗漏,太低或温度太高时，系统自动报警。直接式TMPS从功能和性能上均优于间接式TMPS.由此可以明显看出直接式TMPS较之间接式在功能和实现上都更合理，所以选择直接式TMPS2. 夜间防盗模块方案一：采用红外线扫描装置，探测驾驶室附近异物的出现情况，若探测到有异物较长时间内都处于危险区域，或者进入驾驶室则发出报警信号。此方案的缺点是红外扫描距离较短且价格较高，应用也较复杂，但是实现精度较高。方案二：采用超声波测距的方式，探测驾驶室附近是否有异物靠近，且在较长时间内不离去，或者进入驾驶室，则报警提示司机。此方案与前者相差不大主要的就是将红外装置换做超声波探测，这样探测的距离可以根据具体情况进行调整而且有效探测距离较长，但仍需安装多个传感器。方案三：采用超声波传感器，且只探测是否有异物进入驾驶室，这样可以减少传感器的数量同时也降低了编程复杂度，使系统更容易实现综上几点选择方案三较为合适3. 倒车雷达方案一：采用可视终端，尽量人性化的扩大司机视野，使得司机能够直观的观测到车后的情况。此方案较为先进也十分复杂且成本太高，加之不易保养，不适合在长途货车上使用方案二：采用与夜间防盗同样的超声波探测，通过调整探测距离可以应用与不同的场合，有效的探测到车后的障碍物或路边危险陷入区（如山路边悬崖）有效的避免事故的发生且技术上容易实现，成本也不高，极适合在低端的长途货车上使用综上考虑，仍然采用超声波传感器探测二、 硬件设计1. ARM主控系统STR710FZ2T6为核心构成的中心主控单元图22. 防爆胎模块的设计与说明直接式TMPS的工作原理可以描述为：系统主要由安装在汽车轮胎内的压力温度传感器，信号处理单元，RF发射器组成的TMPS 发射模块，安装在汽车驾驶室的RF接收器，信号处理单元以及LCD组成。温度压力传感器将采集到的温度压力数据传送到信号处理单元，然后通过RF发射电路发射出去。接收模块接收到信号后，再传送给信号处理单元，将数据进行处理，送LCD显示并报警。直接TMPS系统结构如图2所示：图 2TMPS硬件电路设计：(1).无线发射接口电路：发射模块中,引脚3(BAND引脚)接3 V高电平,表示系统发射频率为434 MHz,用于选择工作频率;引脚14(MODE引脚)接高电平,表示系统选择FSK调制模式。FSK调制方式定义为一个信号的两个不同的频移值分别表示数字高、低两种电平。在这个系统中,低频移表示数字高电平,高频移表示数字低电平。发射芯片的FSK调制方式由与晶振串联的下拉负载电容C1来实 现。与CFSK引脚相连的有一内部开关,用以选通下拉电容C1。当DATA=0时(MODE引脚置高电平),开关关闭,此时输出高频移;当DATA=1时,开关接通,此时输出低频移,这就实现了FSK调制方式,也就是说,如果载波频率是433.92 MHz而且总的频偏是f(MHz),则数字高电平表示为433.92 MHz-f,数字低电平表示为433.92 MHz+f。系统的工作过程为:在加上3 V电池,并通过软件进行初始化后,便进入断电关断状态,只有通过唤醒方式,才能唤醒NPX-CO1746工作,然后通过相应的软件设计,完成对压力、温度的测量,接着在软件的帮助下,通过MC33493,以曼彻斯特编码的形式把所测得的数据发射出去,由中央监视器接收。NPX-CO1746芯片的P14与P17分别与MC33493的使能端EN和数据端DATA相连。而NPX-CO1746的系统时钟由MC33493的晶振通过分频提供, P15与MC33493的引脚XCLK相连可以实现。通过P10、P11与运动开关相连,汽车在行驶中使运动开关发生变化,由P10、P11感知,从而唤醒NPX-工作。NPX- CO1746芯片引脚IN1、IN2、IN3、IN4与外部的低频(LF)模块相连,利用低频唤醒实现系统的低功耗。NPX-CO1746的开发工具是UDDB ,通过UDDB接口,可以方便的进行在线修改、调试与下载编程。 （2）.无线接收接口电路： 无线接收接口电路主要由接收芯片MC33594与微控制器STR710FZ2T6构成,如图所示。接收芯片MC33594通过SPI接接口与其直接相连。软件流程设计： （1）.通信协议 为了实现4个轮胎模块和中央接收模块进行无线通信，发送和接收都需要按要求支持一个简单的通信协议。无线传输采用FSK调制方式编码、传输速率为9600BPS，轮胎模块以数据帧的形式发送数据，其数据帧的格式如下：（bit） 前导位 设备ID号 压力值 温度值 校验位 结束码16 32 8 8 8 8 前导位：主要用于防止有用数据被干扰。长度位16位位且总设置位OXFB86。因为 1. 0XF（1111）：接收芯片至少需要4位的前同步码来唤醒它，并让它的内部电路稳定。 2.OXB8(11001000):接收芯片的寄存器2被编程为0XB8, 这样使前同步码中的0XB8数据被验证并且接通数据管理器。 3.0X6（0110）：接收芯片中报头使能，它指示有实际的数据跟随(从设备ID开始). 设备ID号：主要用来标志轮胎的信息，长度是4个字节，以便正确的辨认，如果ID不匹配，数据帧就会被忽略。ID的4个字节在每个数据帧接收后都要被检验。 压力值和温度值：实际要传送的有用数据。 校验位：用于校验接收的数据是否正确，当不正确时，需要重发数据帧。结束码：长度为 2位，用来指示数据帧的结束。（2）.发射流程NPX-C10746 内置中断定时时间大约为0.5秒-4秒,轮胎气压和温度正常时,可取 3秒 定时中断一次 ， 调 用 NPX的轮胎气压和温度检测与补偿后通过无线方式发送给主机显示模块。在气压及温度接近或低于报警阈值时，缩短定时中断时间，增加数据采样及发送频率) 因为监测模块供电电压下降相对比较缓慢，这里采用软件计数定时，中断来延长其检测周期取 40次中断采样一次. （3）.接收和处理流程： 接通电源,MCU初始化，配置发射机，指示灯闪亮，模块进入工作状态。在接收到一个数据帧之后，通过校验和检验数据是否有误，并根据收到数据的ID，点亮相应的指示灯以示报警，同时蜂鸣器响，实现声音报警。 3. 夜间防盗模块的设计与说明夜间防盗的实现原理汽车防盗的检测,采用超声波传感器。超声波传感器由超声波发射电路和超声波接收电路组成(该模块的设计详见超声波测距模块相关内容）。在汽车驾驶室的适当位置,装设超声波发射/接收器,以及遥控开关电路T1。当汽车停放车主人要离开汽车时,用遥控器闭合开关T1,汽车报警系统处于设防状态,系统利用超声波检测车周围的障碍物。 超声波部分发射电路发射部分电路如上图所示。主控芯片接使能端CNT,允许超声波发射,依次发射/接收超声波,循环反复进行。同时ARM内部的计数器开始计数。汽车距障碍物的距离是通过声纳发出到反射回来所花费的时间来测定并进行计算的,计算公式略。反射信号经放大滤波产生一个中断请求信号INT,同时停止计数,读取计数值,经公式计算出实际距离,然后与基准距离进行比较,如果检测的实际距离大于参考值50cm时,不进行声光报警;如果有人靠近汽车进入驾驶室,检测的实际距离小于或等于参考值50cm时,通过arm的输出端口,驱动指示灯显示电路和声音报警电路,发出声光警报。并触发一个高电平,驱动无线信号发射电路。 2模块原理图超声波接收模块声光报警电路Arm主控芯片 比较电路时钟驱动电路超声波发射模块放大电路开启模块无线发射电路 声光报警电路声光报警系统的设计采用555、发光二极管和扬声器组成。利用555组成多谐振荡器，振荡器参数如图4，振荡频率约为1MHZ。报警信号产生后，T1开关闭合，555振荡器输出脉冲驱动蜂鸣器，并且二极管导通模拟实际中的光报警装置发出光报警。无线信号发射电路：无线信号发射电路的设计以MICRF102为核心,如下图所示。MICRF102采用SOP(M)-8封装,芯片内包括由基准振荡器、相位检波器、分频器、带通滤波器、压控振荡器构成的合成器;发射偏置控制;RF功率放大器;无线调谐控制和变容二极管等电路,是一个真正的“数据输入-无线输出”的单片无线发射器件。由它给驾驶员发送无线信号。无线信号接受电路：无线信号接收电路无线接收电路以MICRF007为核心,如下图所示。MICRF007采用SOP9(M)-8封装,芯片电路可分为UHF下变换器、OOK解调器和基准控制3部分。UHF下变换器包含RF放大器、混频器、中频放大器、带通滤波器、峰值检波器、合成器、AGC控制电路;OOK解调器包含低通滤波器、比较器;基准控制电路包含基准振荡器和逻辑控制电路。通过它驾驶员可以接收到远方的报警信号。软件设计流程报警器软件设计流程图如图7所示。系统通电后,主程序先完成初始化工作,包括堆栈指针,设定定时器/计数器的工作方式及初值,将有关存储单元置初值,启动定时器/计数器,开中断等等。然后循环查询各输入口状态,检测是否需要报警。如果与上限或下限产生了越限,则产生中断,输出信号,驱动声、光报警电路,发出声、光报警，同时驱动无线信号发射电路发出信号通知车主。4. 倒车雷达模块的设计与说明超声波测距原理 一般而言，超身波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。在超声波探测电路中，发射端输出脉冲一系列方波，其宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔，被测物距越远，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声波测距!i1的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限:声波幅值检测法易受反射波的影响。本模块硬件设计采用超声波往返时间检测法，其测量原理图如下图所示： 障碍物发射端接收端 其原理为:在超声波发射器两端输人10个40kHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面，由被测面反射，超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号，超声波经气体介质的传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离为声波传输距离的一半，其关系式如下所示:S=1/2 * v * t 式中: s为待测距离。 v为超声波的声速。t为往返时间。 采用微处理器脉冲计数的方法可以精确地测出t的值。假设微处理器的周期为T，计数脉冲个数为N,则探测距离如下所示:S=1/2 * v * t=1/2 * v * N * T通过主控芯片arm来产生驱动信号，使超声发射模块发出测距信号，同时计数器开始计数。超声接受模块接收到反射信号，经逐级放大和滤波后将接收信号反馈给主控芯片，计数器停止计数，主控芯片计算探测距离并输出到LED,同时开始下一次的测距，保证实时送显探测距离。模块原理图： 超声波接收模块报警提示电路Arm主控芯片 比较电路时钟驱动电路超声波发射模块放大电路显示电路启动雷达 发射电路：超声波发送器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件产生40kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流在100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无须驱动电路，但缺乏灵活性。 本设计采用第一种方法产生超声波，电路设计如上图所示。40kHz的超声波是利用555时基电路振荡产生的。其振荡频率计算式为f=1.43/(R 9+2R 10)C 5)。将R 10设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的40kHz固有频率一致。为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源。CNT为超声波发射控制信号，由主控芯片进行控制。 接收电路： 超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，并且频率要一致。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号不能直接被主控芯片接收，必须进行波形变换。按照上面所讨论的原理，主控芯片需要的只是第一个回波的时刻。接收电路的设计可采用专用接收电路，也可采用通用电路来实现。超声波在空气中传播时，其能量的衰减与距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，通常在1mV1V之间。当然，不同接收探头的输出信号强度存在差异。由于输入信号的范围较大，对放大电路的增益提出了两个要求：一是放大增益要大，以适应小信号时的需要；二是放大增益要能变化，以适应信号变化范围大的需要。另外，由于输入信号为正弦波，因此必须将放大电路设计成交流放大电路。为减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用了一片LM324通用运算放大器，前三级为放大器设计，后一级为比较器设计。LM324既可以双电源工作，也可以单电源工作，因此能满足使用要求。为满足交流信号的需要，每一级的放大器均采用阻容电路进行电平偏移，即图4中的C7、C21、C22和C24，容量均为10F，实现单电源条件下交流信号的放大。对于交流信号而言，电容为短路，因此前三级放大电路的增益均为10。距离较近时，两级放大的增益已能够输出足够强度的信号了，第三级有可能出现信号饱和，但距离较远时，必须采用三级放大。合理调节电位器R27，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。 接受电路原理图： 显示电路MAX7219如图所示，SEGA一SEGG和SEGDP为LED七段驱动器线和小数点线，供给显示器电流。Digit ODigit 8为8位数字