基于SP12的汽車輪胎狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引言

　　據(jù)美國汽車工程師學(xué)會統(tǒng)計,美國每年有26萬起交通事故是由于輪胎氣壓偏低或滲漏造成的。而在中國高速公路的交通事故中,則有70％是因爆胎而引起。因此,防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題,而確保標(biāo)準(zhǔn)胎壓則是防止爆胎的關(guān)鍵。目前的汽車壓力檢測系統(tǒng)主要包括直接式和間接式。直接式系統(tǒng)通過安裝在輪胎內(nèi)部的傳感器直接檢測胎內(nèi)壓力和溫度狀態(tài);間接式則是通過安裝在轉(zhuǎn)軸上的傳感器檢測輪胎轉(zhuǎn)動慣性進而推算出胎內(nèi)的壓力的。由于直接式檢測不受溫度影響,因而比間接式系統(tǒng)檢測更準(zhǔn)確,是目前的主流。直接式系統(tǒng)的核心是安裝在輪胎內(nèi)部的傳感器模塊,它在電池供電下可以工作3～5年,因此要求系統(tǒng)采用微功耗設(shè)計。另外,由于是安裝在輪胎內(nèi)部,對傳感器尺寸、重量以及可靠性都有嚴(yán)格要求。本文給出了基于PIC單片機、單片無線收發(fā)芯片nRF2401A及多功能集成傳感器芯片SP12設(shè)計的一種用于檢測汽車輪胎壓力、溫度狀態(tài)檢測的傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)的氣壓檢測范圍是100kpa～400kpa,精度為1.4KPa;溫度檢測范圍是-40℃～+125℃。

1 性能指標(biāo)與總體設(shè)計

1.1 性能指標(biāo)

　　該智能傳感器系統(tǒng)

　　◇壓力測量范圍：100～400 kPa

　　◇溫度測量范圍：-40～+120

　　◇通信頻率：2.4～2.5 GHz

　　◇最大發(fā)射功率：0dBm

　　◇接收靈敏度：-80dBm

　　◇傳感器采用3 V鋰電池供電

1.2 總體設(shè)計

　　智能傳感器內(nèi)部基本組成如圖1所示。它以PIC16F684單片機為核心,并包括三合一集成式傳感器芯片SP12,2.4 GHz全雙工無線通信收發(fā)模塊nRF2401A。其中SPl2可在單片機的控制下測量車胎的壓力和溫度值。并以數(shù)字量形式輸出,再經(jīng)過單片機MCU打包后通過nRF2401A發(fā)射出去。同時,單片機也通過nRF2401A接收主機發(fā)來的指令,完成相應(yīng)的控制或參數(shù)配置任務(wù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 MCU單元

　　本系統(tǒng)的每個傳感器內(nèi)都有1個MCU芯片PIC16F684。這是一款微功耗高性能單片機。由于其片上集成有晶振電路和復(fù)位電路,因此其最小系統(tǒng)極為簡單,只要接通電源就可以工作。

　　MCU外部擴展了2個外設(shè),其中同nRF2401A的接口使用了6個I／O口,它們是CS2(輸出口,片選信號)、CE(輸出口,工作模式控制)、WR_UP(輸出口,休眠使能)、DATA(輸入口,數(shù)據(jù)接收)、DR1(輸出口,數(shù)據(jù)發(fā)送)、CLK1(輸出口,通訊同步信號)。MCU與nRF2401A的通訊采用SPI協(xié)議,其中MCU為主機,nRF2401A為從機,通訊協(xié)議在MCU上由軟件實現(xiàn)。

　　MCU與SPl2的接口使用了4個I／O口,它們是CS1(輸出口,片選信號)、SD0(輸出口,數(shù)據(jù)輸出)、SDI(輸入口,數(shù)據(jù)輸入)、SCK(輸出口,通訊同步信號)。MCU與SPl2的通訊協(xié)議也是SPI,其中MCU為主機,SP12為從機,該通訊協(xié)議也在MCU上由軟件實現(xiàn)。MCU與外設(shè)的接口電路原理圖如圖2所示。

2.2 RF單元

　　RF單元采用集成式2.4GHz無線收發(fā)芯片nRF2401A,nRF2401A片內(nèi)集成有RF放大器、本振與混頻器和調(diào)制／解調(diào)器、數(shù)字接口等電路,因而外圍元件很少。

　　RF單元的硬件設(shè)計主要包括RF天線回路、RF放大器增益配置,以及本地振蕩電路的設(shè)計。圖3所示是RF單元的電路圖。其中,L1、L2、C6、C7用于構(gòu)成天線匹配與選頻網(wǎng)絡(luò),R2是RF放大器增益配置電阻,Y1、R3、C8、C9構(gòu)成本振電路的一部分,El、E2、C2、C3為電源濾波和退耦元件。

2.3 SP12單元

　　SP12是集成式三合一傳感器,它能夠把氣壓、溫度、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)值量并發(fā)送至MCU。SP12的傳感器探頭安裝在芯片封裝上,因此。只需通電就可以通過MCU向SP12發(fā)指令以啟動采樣。SP12的外圍電路也很簡單,只有電源接口和MCU的數(shù)字接口。具體電路參見圖4。

2.4 電源及輔助電路

　　汽車輪胎狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的智能傳感器一般都安裝在車輪內(nèi),因此,供電系統(tǒng)一般采用小尺寸電池?？紤]到電池容量、壽命及溫度適應(yīng)性,本設(shè)計采用3 V鋰電池供電。

3 軟件設(shè)計

3.1 主流程

　　圖5所示是該智能傳感器的主程序流程。本系統(tǒng)開機后．首先執(zhí)行上電初始化程序。然后進入睡眠模式以節(jié)省電能,當(dāng)?shù)竭_定時開機時刻,智能傳感器的處理器將被外部中斷喚醒,并執(zhí)行開機檢測程序,以在車輛移動時執(zhí)行檢測,否則返回睡眠模式。當(dāng)系統(tǒng)啟動狀態(tài)檢測后,智能傳感器依次檢測輪胎內(nèi)的氣壓、溫度等信息。

　　通過將檢測值與預(yù)定警戒值做比較,系統(tǒng)可以判斷是否出現(xiàn)異常,并執(zhí)行相應(yīng)的告警動作。如果系統(tǒng)遇到停機指令,則停機,否則返回睡眠模式。

3.2 開機檢測

　　車輛移動時,SP12芯片可以測量出加速度的變化。加速度超出設(shè)定的門限值即判定車輛移動。這就是開機檢測的基本原理。開機檢測本質(zhì)上是一種加速度檢測,通過單片機控制SP12以實現(xiàn)加速度測量的過程參見圖6。

3.3 狀態(tài)檢測

　　狀態(tài)檢測是該智能傳感器的核心功能,主要包括氣壓檢測、溫度檢測,以及電池電壓檢測。由于SP12芯片集成了所有氣壓檢測、溫度檢測及電壓檢測功能,因此,它們的狀態(tài)檢測程序流程與加速檢測基本類似,主要是對SP12的通訊。各種狀態(tài)檢測流程圖見圖7所示。

3.4 變周期定時檢測

　　該智能傳感器是定時開機工作的。為節(jié)省電能,它的開機間隔時間可隨氣壓變化做自適應(yīng)的變化,這也是本傳感器的智能化體現(xiàn)。具體的調(diào)節(jié)算法如圖8所示。其中,在每個檢測周期內(nèi),通過自適應(yīng)算法可將檢測到的當(dāng)前氣壓值和當(dāng)前溫度值分別與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)氣壓值和標(biāo)準(zhǔn)溫度值作比較,以得到當(dāng)前氣壓偏差量和當(dāng)前溫度偏差。若當(dāng)前氣壓偏差量大于歷史氣壓偏差量,則將檢測周期值減小1個單位;若當(dāng)前氣壓偏差量小于 歷史氣壓偏差量,則將檢測周期值增大1個單位：若當(dāng)前溫度偏差量大于歷史溫度偏差量,則將檢測周期值減小1個單位;如果當(dāng)前的溫度偏差量小于歷史溫度偏差量,系統(tǒng)則將檢測周期值增大1個單位。最后,再用當(dāng)前氣壓偏差值和當(dāng)前溫度偏差值分別來更新歷史氣壓偏差值和歷史溫度偏差值。

4 結(jié)束語

　　本文給出了一種用于檢測汽車輪胎壓力、溫度狀態(tài)檢測的智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計方案。通過該方法可以根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)完成系統(tǒng)總體設(shè)計以及系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。本系統(tǒng)能夠獨立完成汽車輪胎氣壓和溫度的檢測,并可作為傳統(tǒng)汽車壓力檢測系統(tǒng)的理想升級產(chǎn)品。