基于NPX的新型輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)

隨著汽車消費(fèi)市場的日益升溫,汽車的安全性能更加被消費(fèi)者所關(guān)注。在汽車高速行駛過程中,輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的,也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì),在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70% 是由于爆胎引起的,而在美國這一比例更高達(dá)80%?；诖?美國運(yùn)輸部 (dot)國家公路交通安全管理委員會(huì) (nhtsa) 出臺(tái)了法規(guī)。該法規(guī)規(guī)定:2003年11月到2006年10月31日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(tyre pressure monitoring system,tpms)。鑒于如此大的市場潛力,國內(nèi)外許多公司紛紛開始投入tpms的研制。

1 tpms硬件系統(tǒng)構(gòu)成

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)分為直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。間接系統(tǒng)是通過abs確定輪胎壓力變化的系統(tǒng)。abs通過車速傳感器確定輪胎故障,從而決定是否啟動(dòng)防抱死系統(tǒng)。目前這類系統(tǒng)的準(zhǔn)確率沒有直接系統(tǒng)高,故障輪胎的確定也很困難,而且系統(tǒng)校準(zhǔn)極其復(fù)雜。此外,在某些情況下此類系統(tǒng)會(huì)無法正常工作,例如同一車軸的兩個(gè)輪胎氣壓都低時(shí)。直接系統(tǒng)一般由輪胎監(jiān)測模塊和主機(jī)接收顯示模塊構(gòu)成。通過在每一個(gè)輪胎上都安裝一個(gè)輪胎監(jiān)測模塊,來實(shí)時(shí)監(jiān)測汽車行駛狀態(tài)下各個(gè)輪胎的狀況,從而使安裝在駕駛臺(tái)的主機(jī)接收顯示模塊能實(shí)時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度等。在輪胎出現(xiàn)漏氣、低氣壓及高溫等異常情況時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。這樣駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎狀況,以保障行車安全。

1.1 輪胎監(jiān)測模塊

輪胎監(jiān)測模塊嵌入到輪胎里面,主要用來監(jiān)測輪胎內(nèi)部氣壓和溫度狀況,并通過無線調(diào)制方式發(fā)送到主機(jī)顯示模塊,故輪胎監(jiān)測模塊主要應(yīng)包含傳感器、微控制器、uhf發(fā)射器以及供電電池。整個(gè)模塊放置在輪胎里面,在汽車高速行駛時(shí)且輪胎內(nèi)部產(chǎn)生高溫情況下要能正常運(yùn)行,并且能保證有效工作5～10年,故而模塊的小型化、寬工作溫度范圍以及低功耗設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

1.1.1 npx-c10746簡介

npx-c10746是ge nova sensor公司最新推出的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)專用芯片,它是由一塊帶有大量外圍器件的philip 8bit risc內(nèi)核組成的高集成度芯片。片內(nèi)集成有壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、低噪聲放大器和12位a/d轉(zhuǎn)換器;內(nèi)置的rc振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘,無需外接晶體振蕩器;soic 14l封裝,工作溫度達(dá)汽車工業(yè)級(jí)(-40～+125℃)。

1.1.2 監(jiān)測模塊硬件構(gòu)成

輪胎監(jiān)測模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。uhf發(fā)射芯片采用atmel公司的ata5757,該芯片集成度高、低功耗模式下電流<1μa、msop-10封裝(3mm×5mm),能很好滿足監(jiān)測模塊低功耗、小型化設(shè)計(jì)要求;工作電壓范圍為2v～3.6v,當(dāng)監(jiān)測模塊使用單塊扣式電池供電時(shí),可不加電源管理芯片,從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗,延長工作時(shí)間。監(jiān)測模塊采用tadiran公司的tlh-2450長效鋰亞硫酰氯扣式電池供電,該電池額定工作溫度在-40℃～+125℃之間,并具有外形尺寸小、能量密度大、自放電極低的特點(diǎn)。此外,供電電池串聯(lián)一個(gè)加速度開關(guān)(即圖1中的開關(guān)),用于控制監(jiān)測模塊電源。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速超過2圈/秒時(shí),加速度開關(guān)導(dǎo)通,監(jiān)測模塊開始工作。

1.2 主機(jī)接收顯示模塊

主機(jī)接收顯示模塊安裝在汽車駕駛臺(tái),通過改變指示燈顏色和數(shù)碼顯示告知駕駛員車輛各輪胎當(dāng)前的壓力、溫度及供電電壓狀況是否異常等。

主機(jī)接收顯示模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,由接收天線、uhf接收器mc33594、微控制器p89lpc930等器件組成。

mc33594器件是摩托羅拉公司生產(chǎn)的高度集成的uhf接收器,它能夠接收并解調(diào)ook或fsk調(diào)制的manchester編碼數(shù)據(jù),同時(shí)通過一條串行外圍接口(spi)總線將其發(fā)送出去。通信中采用fsk調(diào)制方式時(shí),mc33594支持?jǐn)?shù)據(jù)管理器,可以去掉數(shù)據(jù)幀中的同步碼、前導(dǎo)碼和結(jié)束符(eom)等字節(jié),這樣控制它的軟件就可以大大簡化。 p89lpc930是philip公司的一款微控制器,適合于許多要求高集成度和低成本的場合,可以滿足多方面的性能要求。p89lpc930采用高性能的處理器結(jié)構(gòu),指令執(zhí)行速度六倍于標(biāo)準(zhǔn)80c51器件,且?guī)в衧pi總線接口,可方便地與mc33594進(jìn)行通信。

2 tpms系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

tpms的軟件比較簡單,輪胎監(jiān)測模塊主要對(duì)氣壓、溫度及電源電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、處理和傳輸。主機(jī)顯示模塊接收到數(shù)據(jù)幀并經(jīng)校驗(yàn)后顯示氣壓、溫度和電壓值,并且與報(bào)警閾值進(jìn)行比較以判斷是否需要報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)低功耗設(shè)計(jì)要求非常高,所以應(yīng)盡可能合理安排程序流程,優(yōu)化軟件算法。

2.1 輪胎監(jiān)測模塊程序設(shè)計(jì)

輪胎監(jiān)測模塊的主程序在執(zhí)行完初始化功能后便根據(jù)當(dāng)前氣壓值與報(bào)警閾值的差值設(shè)置定時(shí)中斷時(shí)間,然后進(jìn)入低功耗模式。模塊供電電壓、輪胎氣壓和溫度的監(jiān)測與數(shù)據(jù)的傳輸都放置在中斷程序,中斷結(jié)束立即進(jìn)入低功耗模式。
npx-c10746內(nèi)置中斷定時(shí)時(shí)間大約為0.5秒～4秒,輪胎氣壓和溫度正常時(shí),可取3秒定時(shí)中斷一次,調(diào)用npx的輪胎氣壓和溫度檢測與補(bǔ)償、crc-16校驗(yàn)計(jì)算執(zhí)行庫后,通過無線方式發(fā)送給主機(jī)顯示模塊。在氣壓及溫度接近或低于報(bào)警閾值時(shí),縮短定時(shí)中斷時(shí)間,增加數(shù)據(jù)采樣及發(fā)送頻率。因?yàn)楸O(jiān)測模塊供電電壓下降相對(duì)比較緩慢,這里采用軟件計(jì)數(shù)定時(shí)中斷來延長其檢測周期,取20次中斷(60秒)采樣一次。定時(shí)中斷程序流程如圖3所示。

2.2 主機(jī)顯示模塊程序設(shè)計(jì)

主機(jī)上電后,p89lpc930初始化,配置完mc33594后,模塊進(jìn)入等待spi數(shù)據(jù)工作狀態(tài)。在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀并經(jīng)crc校驗(yàn)(采用查表法實(shí)現(xiàn),減小mcu占用時(shí)間)和輪胎id判斷無誤后,送數(shù)碼顯示并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈以表示各模塊工作正常。當(dāng)輪胎監(jiān)測模塊供電電壓、氣壓及溫度接近或低于報(bào)警閾值時(shí),主機(jī)啟動(dòng)led閃爍警告或蜂鳴器報(bào)警。程序流程圖如圖4所示。

2.3 通訊及協(xié)議

2.3.1 數(shù)據(jù)幀格式

輪胎監(jiān)測模塊與主機(jī)接收顯示模塊之間的無線通訊采用固定的數(shù)據(jù)幀長度進(jìn)行,具體數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

同步碼的長度為16bit,設(shè)置成0xfb86。具體意義如下:

0xf(1111):mc33594至少需要4bit的同步碼來喚醒它,并讓它的內(nèi)部電路穩(wěn)定。

0xb8(1100 1000):mc33594的寄存器2被編程為0xb8,這樣使前同步碼中的0xb8數(shù)據(jù)被驗(yàn)證并接通數(shù)據(jù)管理器。

0x6(0110):mc33594中報(bào)頭被使能,指示有實(shí)際意義的數(shù)據(jù)輸出(從輪胎id開始)。

mc33594接收到的同步碼不會(huì)被發(fā)送到spi總線,所以p89lpc930收到的數(shù)據(jù)幀從輪胎id編號(hào)開始共8個(gè)字節(jié)。

輪胎id編號(hào)長度為32bit,它可用于表示輪胎監(jiān)測模塊所屬tpms系統(tǒng)的標(biāo)志,并表明其被安裝在哪個(gè)方位的輪胎,從而方便主機(jī)顯示模塊辨識(shí)。p89lpc930接收到數(shù)據(jù)幀后,會(huì)對(duì)輪胎id編號(hào)進(jìn)行檢測,如果id不匹配,數(shù)據(jù)幀就會(huì)被忽略。

氣壓、溫度和電壓各占一個(gè)字節(jié),代表當(dāng)前測得的數(shù)值。

crc校驗(yàn)碼通過監(jiān)測模塊調(diào)用npx的crc-16校驗(yàn)計(jì)算執(zhí)行庫生成,放置在數(shù)據(jù)幀幀尾。主機(jī)接收顯示模塊crc校驗(yàn)正確后才進(jìn)行相應(yīng)處理,否則忽略該數(shù)據(jù)幀。

2.3.2 通信設(shè)置

系統(tǒng)的無線通信載波頻率選用433.92mhz,發(fā)射速率取9600 bps,采用fsk調(diào)制方式。發(fā)射前先對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼(如圖5所示)就是用兩個(gè)bit之間的電平變化來表示數(shù)字信號(hào)0或1。由高電平變?yōu)榈碗娖奖硎緮?shù)字0,反之則表示數(shù)字1。通過曼徹斯特編碼可以減小發(fā)射信號(hào)的直流分量,降低誤碼率,提高通信距離。

基于npx系列傳感器的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)集成度較高,穩(wěn)定性好,能夠同時(shí)監(jiān)測輪胎氣壓、溫度及監(jiān)測模塊供電電壓三個(gè)關(guān)鍵參數(shù),當(dāng)輪胎出現(xiàn)漏氣、溫度升高等異常情況時(shí),系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)報(bào)警,從而確保行車安全,延長輪胎的使用壽命,降低燃油的消耗。此外,主機(jī)接收顯示模塊還可以通過擴(kuò)展液晶顯示、語音報(bào)警及提供與汽車控制系統(tǒng)接口等來適應(yīng)不同用戶需要。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在國內(nèi)某一型號(hào)的tpms產(chǎn)品中,且運(yùn)行狀況良好。