【《胎压监测系统的硬件和软件设计案例》3800字】

胎压监测系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u22318胎压监测系统的硬件和软件设计案例 119313第1章胎压监测系统硬件设计 1226781.1AT89C51最小系统设计 1251621.1.1单片机电源电路 294601.1.2单片机时钟振荡电路 392331.1.3单片机复位电路 4240891.2待机电路设计 591751.3电压转换电路 6269551.4胎压传感器MPXY8300 6159631.5CAN通信的电路设计 8211381.6RF射频收发模块 942591.7本章小结 131917第2章系统软件的设计 14277062.1程序开发软件介绍 1432832.2MPXY8300程序设计 15323932.3数据接收模块程序设计 16120492.1.1nRF24L01模块初始化 17194382.1.2低功耗设计 19275612.4CAN通讯程序 20第1章胎压监测系统硬件设计硬件电路决定了胎压监测功能能否实现，本章开始各个模块的硬件电路设计，单片机最小系统电路、待机模式电路、电压转换电路、MPXY83000传感器电路、CAN通信电路、RF射频电路。重点设计无线传输电路。1.1AT89C51最小系统设计AT89C51是由ATMEL公司研发的8位的单片机，其内核是8051。速度快、接口多、电压低、功耗低，所以本文采用AT89C51作为MCU主控制器，AT89C51正常工作需要外部电路的支持，供电电路、晶振电路、复位电路是单片机最小组成电路。1.1.1单片机电源电路对于一个完整的单片机驱动电路来说，首要解决问题就是为整个操作系统启动提供电源，电源的稳定可靠，是保证系统平稳正常运行的重要前提和技术基础。如图1.1，AT89C51单片机有VSS接口接5V电源。为单片机提供运行电压。图1.1单片机电源电路1.1.2单片机时钟振荡电路单片机电路是一个复杂的时序同步电路，为了有效保证这种同步时序方式的正确实现，电路设计应在唯一的同步时钟源信号控制下，严格进行同步工作。时钟电路发出时钟信号作为单片机工作时所需要的信号。图1.2时钟振荡电路如图1.2，时钟电路采用外部8M的晶振，两端各串联一个20pF的电容接地，单片机的效率可以通过改变其内部的时钟配置。一般来说，要想单片机的速度响应变快，提高工作频率就可以实现。1.1.3单片机复位电路无论我们是在单片机刚通电开始自动接上电源时，还是断电或者突然发生电路故障时都必须要及时复位。单片机启动的各个部件会回到原本的初始状态，重新开始工作。复位电路的连接如图1.3所示。图1.3复位电路设计单片机自动复位的必要条件：必须保持使RST加上持续两个单片机工作周期以上时间的高电平。AT89C51单片机的最小系统电路如图1.4。图1.4单片机最小系统电路1.2待机电路设计车辆熄火后，胎压监测系统应停止工作进入待机模式。MCU由蓄电池供电是常电。如果胎压监测还是保持正常工作状态，那么它会继续消耗蓄电池电量。所以熄火电流一般控制在0.02A以下。如果不对这些电流进行控制，长此以往会对蓄电池寿命造成损害。因此，待机电路设计为在钥匙关闭后立即进入完全待机工作模式，在启动车辆自检开始时进行唤醒。图1.5待机电路如图1.5，单片机外部中断接口EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(__),I)EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(___),N)EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(___),T)EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(___),O)/EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(__),I)EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(___),N)EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(___),T)EQ\*jc2\*hps12\o\ad(\s\up11(__),1)与PCA82C250的RX0/RX1接口相连。关闭钥匙后，外部中断0启动，进入低功耗模式。插入钥匙打开电源，汽车自检通电时由外部供电，外部中断1唤醒TPMS，系统进入工作状态。1.3电压转换电路AT89C51单片机采用的是5V电压供电。AMS1117的输入电压范围是1.6V~15V，所以采用AMS1117-5.0稳压芯片将12V电源电压转化为5V。芯片输出电流1A，有过载过热保护，使用性能可靠。图1.6所示C6和C7都用的是用于滤波的电容，是稳定改变后的电压滤除杂波，抑制AMS1117自激振荡的装置。C7进行高频滤除，C6有效过滤低频。图1.65V电压转换电路nRF24L01采用的是1.3V电压供电。同样通过AMS1117-1.3将12V蓄电池电压转化为1.3V供电电压，来给射频模块供电。电路图如图1.7所示。图1.71.3V电压转换电路1.4胎压传感器MPXY8300MPXY8300是飞思卡尔胎压监控系列的产品，采用20脚封装。MPXY8300将功耗很低的微机械电容式气体压力传感器、温度传感器、Z轴重力加速度传感器、电压传感器、微控制器和RF发射器等集成在一个很小的芯片上，减小了传感器体积实现了重量轻和功耗低的要求。MPXY8300主要优势：包括了乘用车货车和卡车的轮胎压力范围，可以满足不同车型客户不同的市场需求。用先进的传感技术作为支撑，使监测精度和芯片的性能得到很好的保障。内置的8位微型单片机可以让使用者更加灵活设计，还有与传感器匹配的用户端固件程序，方便用户通过终端进行压力、加速度、温度和电压读取。芯片和电路图如图1.8和1.9所示。图1.8MPXY8300外形及引脚配置图1.9MPXY8300传感器电路1.5CAN通信的电路设计胎压信息由RF接收模块接收到单片机后需要传输给CAN总线，在AT89C51芯片上，没有CAN接口，需要采用芯片建立通信，实现单片机与CAN总线的沟通。电路图如图1.10所示图1.10CAN通信电路设计SJA1000广泛应用于工业无线环境和移动信号传输中的多个区域无线网络控制（CAN），建立通信沟通。SJA1000也有了新功能：可编程的错误范围报警，标准帧和扩展帧的数据传输，含屏蔽代码寄存器的单/双验收的滤波器。PCA82C250作为CAN总线收发器限流驱动控制电路，内部装置具有限流控制电路，可有效防止总线发送器的输出级对电源、地或负载发生短路。虽然高级短路现象出现时电源功耗也会增加，但不至于直接使短路使输出级电路损坏。若终端结温温度超过大约160℃，则两个信号发送器间的输出两个极限电流将大大减小。1.6RF射频收发模块本设计使用nRF24L01射频收发芯片，nRF24L01是由一款新型的无线单片机射频信号收发模块，工作于2.4GHz~2.5GHzISM频段。nRF24L01在功能上不仅集成了频率合成器、功率放大器等模块，而且采用了ShockBurst技术。ShockBurst技术可以有效的对输出功率和频道进行设置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式。数据传输实现距离更远。通过配置寄存器可将nRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式如表1.1。表1.1nRF24L01的四种工作模式模式PWR-LPPRMRXCEFIFO寄存器状态接收模式111发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式101--0停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TXFIFO为空待机模式110无数据传输掉电0待机模式1是降低电流损耗主要模式，在该模式下晶体振荡器仍然是正常工作的；待机模式2则是在当FIFO寄存器为空，且CE=1时进入此模式；待机模式下，所有配置字仍然保留。在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配备寄存器的值仍然保留。电路如图1.11所示。图1.11nRF24L01电路图该模块引出8个引脚，各个引脚说明及定义如表1.2。表1.2nRF24L01引脚定义脚位编号引脚定义描述1VCC接电源正极（1.9-1.6V）2CE使能发射或接受的片选3CSNSPI片选4SCKSPI时钟5MOSISPI从机数据输入6MISOSPI从机数据输出7IRQ可编程中断脚，低电平有效8GND接电源负极图1.12NRF24L01模块与AT89C51电路连接图如图1.12，NRF24L01模块通过串口与AT89C51相连，其中主机是AT89C51单片机，从机是NRF24L01，该模块使用1.3V工作电压，除了电源和接地引脚之外，其他引脚都可以接收5V的电平输入，这也是NRF24L01射频模块的优势。1.7本章小结本章节对胎压监测系统的硬件电路进行了设计，包括单片机的最小系统电路、电压转换电路、待机电路、胎压传感器电路、RF射频电路CAN通信电路。对电路连接和芯片功能做出了介绍。经过分析，本设计的电路连接合理，便于实际操作，电路响应速度快，低功耗设计等。很好地满足了胎压监测系统的设计要求，与车载网络系统相匹配。第2章系统软件的设计上一章节硬件设计已经完成，本章根据硬件电路进行软件程序设计。主要实现数据采集、数据传输、模块初始化、休眠模式设计，实现系统的正常运转。2.1程序开发软件介绍胎压检测软件系统，主要是利用C语言程序编程。C语言程序具有可读性强、方便后期维护、能够轻易移植的优点。本文中的编程软件主要是利用Keil软件，该软件提供了软件仿真和调试等开发平台，并且包含了C语言编译器、宏汇编等功能。通过一个完全集成化的软件开发应用环境将这些组成部分完美地组合在一起。Keil几乎是C语言编程的首选。程序开发初期，可以使用软件仿真进行测试，查验是否有bug存在，程序响应是否迅速。根据设计思路进行数据运行，是很好的设计开发软件，也是本设计的第一选择。2.2MPXY8300程序设计胎压传感器以数据包（帧）的形式发送数据。当轮胎模块中的MPXY8300决定要发送数据（由传感器采集的温度、压力数据）时，通过发送数据帧的前导位唤醒接收模块，随后发送数据帧，数据帧格式：前导位16位；设备ID32位；压力值8位；温度值8位；状态位8位；校验和停止位8位。数据传输后为增强可靠性连续发送16帧。具体流程如图2.1所示。图2.1MPXY8300数据采集算法设计流程图2.3数据接收模块程序设计该模块的程序设计以无线传输时抗干扰能力和低功耗设计为工作重心，控制数据采集速度、精度、数据采集时间，无线射频的低功耗唤醒和抗干扰能力等，保证设计要求的实现。2.1.1nRF24L01模块初始化由AT89C51引脚的输入/输出方式设计nRF24L01的初始化流程。初始化相关寄存器：写Rx节点地址RXADDRPO；使能AUTOACKENAA；使能PIPE0ENRXADDR；选择通信频率RFCH；选择通道0有效数据宽度RxPwP0；配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率）RFSETUP；配置24L01的基本参数以及切换工作模式CONFIG。初始化流程如图2.2所示。（a）TX模式初始化（b）RX模式初始化图2.2TX/RX模式初始化数据接收和发送流程如2.3所示。(a)发射一次数据（b）接收一次数据图2.3NRF24L01发送/接收一次数据流程图2.1.2低功耗设计TPMS系统设计时功耗问题极其重要，需要重点考虑。无线发射模块在轮胎内部采用纽扣电池供电，单片机使用蓄电池供电，系统功耗是电池寿命重要影响因素。汽车启动时，内核根据设定执行代码程序；汽车熄火