自动化仪表课程设计-轮胎胎压自动监测系统剖析.doc

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1、自动化仪表大作业轮胎胎压自动监测系统在线检测胎内压力与温度，具有实时液晶显示及报警功能学校：洛阳理工学院专业：自动化日期：2013年5月12日摘 要:轮胎压力监测报警系统(Tire PressureMonitoring System)(TPMS)是汽车安全领域重要电子装置,近年来已开始获得广泛应用,但传统的TPMS产品多为内置式,安装在轮胎内,安装与维护时需要拆卸轮胎造成很大不便,同时轮胎里的金属轮辋对位于胎内的压力传感器与无线发射装置有很强的屏蔽作用,信号衰竭很快,要保证信号传输到位于驾驶室内的接收器,必须提高发射功率,从而大大缩短发射器的电池使用寿命。针对这些技术问题,提出了一种新型外置直

2、接式数字胎压监测系统,它的胎压监测节点核心器件MCU选用Infineon的专用压力处理器芯片SP30,该芯片内置MEMS压力传感器可通过外连气门芯直接测量胎内气压,再通过无线方式与上位接收器进行无障碍无线传输通信,避免了信号屏蔽,延长了电池与产品的使用寿命以及安装成本。给出了新型外置直接式TPMS产品的具体硬件设计、软件流程与通信协议。测试表明该系统的无线信号传输可靠、抗干扰能力强、轮胎位置识别准确、反应灵敏、安装与维护方便及组态灵活等特点、有着广泛的市场应用前景。关键词:无线传输;胎压监测;压力传感;编码;TPMS 胎压监测系统(TPMS)能在汽车行驶期间实时监测轮胎内气压变化,并对胎压与温

3、度异常进行报警,有效避免爆胎事故的发生。目前,TPMS系统分为两种类型: (1)间接式TPMS通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以监视胎压变化,这种方式可靠性不高; (2)直接式TPMS利用安装在每个轮胎上的压力传感器来直接测量胎压,并与驾驶台的监视器无线通信,实时显示每个轮胎内的气压,这种方式简单可靠。但是,许多汽车厂商只是在生产新车时采用内置安装方法配置直接式TPMS,这样不可能从根本上解决保有车辆加装TPMS的问题,安全隐患依然存在1-2。直接式轮胎压力监测系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压。很明显,直接传感系统更有效,是当前TPMS的主流与发

4、展趋势。直接式轮胎压力监控系统又分为主动式(Active)与被动式(Passive)两种。被动式轮胎压力监控系统的传感器是采用声表面波(SAW)来设计的,虽然此技术不用电池供电,但是它需要将转发器(Transponder)整合至轮胎中,这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才有可能。利用该技术研发的产品由于通讯距离短,需要在每个轮胎旁安装发射天线,所以应用范围受到限制3。主动式TPMS是采用在硅基上利用MEMS工艺制作电容式或者压阻式压力传感器,将压力传感器安装在每个轮胎上,通过无线射频的方式将信号传送出去,安装在驾驶室里的无线接收装置接收到该压力信号,经过一定的信号处理,显示出当前的轮胎压力。

5、主动式技术的优点是技术比较成熟,开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎4。本文介绍一种新型外置直接式数字胎压监测系统,该系统的胎压监测节点安装在轮胎气嘴上,直接监测胎内气压,再通过射频信号传送至驾驶室内的上位接收机,实时显示每个轮胎内的瞬压,当轮胎气压不正常时及时发出警报,保障行车安全。该系统在通信可靠性、实时性、灵活性等方面有着明显的优势,填补国内TPMS后装市场的空白,有着广泛的应用前景。1 TPMS系统原理与总体结构TPMS系统主要由胎压监测节点与接收机两部分构成,系统结构框图如图1、图2所示。图1中,压力传感器采集轮胎压力与温度信号,经A/D转换,MCU获得压力值与温度数据,遵循特定的通讯

6、协议进行编码后,再由RF发射芯片与天线将编码后的数据发射出来;图2中,安装在驾驶室内的接收机接收到胎压监测节点发射的高频信号,经去噪滤波后,射频接收芯片解调出该信号,送至接收机MCU,接收机MCU再遵循特定的通讯协议,将接收到的信号进行解码,读取各个轮胎的方位与对应的压力、温度值,然后进行分析、存储与显示,并对故障轮胎发出实时报警。2 TPMS系统硬件设计与实现2. 1 胎压监测节点 胎压监测节点采用轮胎气嘴上安装的外置式安装方式,所以要求胎压监测节点小型化,传感器采集精确、响应快,功耗低,无线通信效果好,性能可靠。为此,胎压监测节点的主控芯片采用Infineon公司生产的SP305,它是一款

7、嵌入式RISC处理器,采用8位哈佛结构,二级流水线指令,快速的执行时间大大降低功耗,适用于电池供电的设计。SP30内置传感器硬模、看门狗定时器、多通道15 bitADC与两个片上振荡器,支持空闲掉电等多操作模式,支持低频唤醒(Low FrequencyWakeup)与内部时钟唤醒(In-tervalTimerWakeup)中断机制等等,因为微控制器外设功能全面,所以硬件设计电路非常简单,从而提高了胎压监测节点的稳定性。胎压监测节点硬件设计框图电路如图3所示。图3 胎压监测节点硬件设计框图压力传感器芯片内部将两个低成本的硬模直接封装在一起,通过芯片内的增压管直接测压力与温度,芯片内部嵌入低噪声放

8、大器与ADC,采集精度高。MCU使用固件(Fireware)直接控制AD转换与读取胎内气压值与温度。MCU使用软件中断方式调用固件,以执行ROM中的LIB函数, LIB函数中大量的特殊循环控制与循环移位指令优化了代码, SYS(软件中断)的机制隐藏ROM的字节传送,使得固件在应用程序中不可见,大大简化了固件读取模拟量的软件编写工作。获取轮胎压力值与温度后,胎压监测节点通过射频发射芯片向接收机发送报文,本设计中射频发射芯片选用Micrel公司生产的MICRF1126,其操作电压范围为1. 83. 6 V,适用于电池供电;发射频率范围为380MHz-450MHz,输出功率最大可达+10 dBm,可

9、选择调制ASK或FSK的编码数据,数据(ASK, 433. 92 MHz,曼彻斯特编码数据)传输率高达50 kbit/s。该芯片功能强大,射频信号传输可靠、抗干扰能力强。为保证胎压监测节点的可靠运行, SP30使用芯片内部的看门狗定时器,它能阻止系统故障与掉电时的电池放电。在胎压监测节点发生故障时,看门狗定时器溢出, SP30强制进入掉电模式。进入掉电模式后,内部时钟开始计数,直至计数溢出,同时产生一个RESET中断复位微处理器(也可通过低频唤醒直接产生一个RESET中断复位微处理器)。胎压监测节点预留有一个Monitor接口,既可用于芯片编程,又可在线监控胎内气压、温度、电量等模拟量的采集与

10、校验精度,调试方便灵活。2. 2 TPMS接收机TPMS接收机安装在汽车的驾驶室内,而胎压监测节点安装在轮胎上,行驶过程中节点在不停的旋转运动,还受到气候影响变化,所以两者之间的通信环境非常恶劣,这就要求TPMS接收机必须能够高灵敏度地响应节点发送的射频信号。本设计选用Micrel公司生产的MICRF2117作为射频接收芯片与Mirco-chip公司的生产PIC16F8868作为接收机处理器。接收机硬件电路图如图4所示。图4 接收机硬件设计框图MICRF211仅需要很少量的外围器件就能构成一个完整的射频接ASK或OOK的编码数据,MICRF211芯片抗干扰能力强,接收效果非常出众线,接收灵敏度

11、可达-110 dBm。PIC16F886是一款的高性能RISC微控制器,处理速度快, 200ns执行一条指令,芯片内置高耐用性闪存单元、增强型USART模块、看门狗定时器与主同步串行口(Master Synchronous Serial Por,t MSSP)模块,功能强大,抗干扰晶显示器实时显示节点方位、压力值、温度与电量状态,使用菜单式界警胎压、巡检频率、功能模式、操作优先级等),这些参数通过PIC16F886的MSSP模块保存在EEPROM芯片24 LC169里。为保证接收机可靠运行,PIC16F886使用芯片内部的看门狗定时器,在处理器发生故障,看门狗定时器溢出,同时产生一个信号复位微

12、处理器。芯片还留有ICSP调试口,可以编程与在线监测处理器的运行,调试简单方便。由于接收机与胎压监测节点之间采取433.92MHz载频进行信号传输,因此在PCB设计时应遵循高频电路设计规则10-11,对发射与接收天线也应仔细匹配与调整12。接收机与与气门嘴相连的胎压监测节点实物图如图5与图6所示。图5 接收机与传感发射器实物图图6 胎压监测节点实物图3 TPMS系统软件设计及通信协议数字式TPMS系统软件分为胎压监测节点软件与接收机软件,其中每个胎压监测节点的软件控制策略与通信协议是保障TPMS系统正常工作的关键13。3. 1 胎压监测节点软件设计及通信协议 胎压监测节点软件流程如图7所示:首

13、先初始化微控制器SP30的寄存器的参数,看门狗定时器打开, MCU直接进入运行模式,先测量轮胎压力与胎内温度,遵循特定的通讯协议进行校验码计算与数据帧编码,然后无线发送N次相同的数据帧;发送完成后,延时等待看门狗定时器溢出,CPU进入掉电状态; 2 min后,SP30内部时钟定时唤醒,CPU从掉电模式进入运行模式,如此循环反复执行。图7 胎压监测模块软件流程图胎压监测节点与接收机通信协议是通过无线数据帧来实现的。胎压监测节点向接收机发送数据帧采用固定的数据帧长度进行,具体数据帧格式如表1所示。表1 TPMS系统无线通信数据帧格式数据帧7 6 5 4 3 2 1 0字节1 Unused电量值ID

14、12 ID11 ID10 ID9 ID8字节2 ID7 ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1 ID0字节3压力值字节4温度值字节5校验码3.2 TPMS接收机软件设计接收机的软件流程如图8所示,TPMS接收机上电复位后,初始化PIC16F886的内部寄存器,等待接收数据帧;接收到数据帧后,先判断数据帧是否有效,如果校验不对,则将数据丢弃;如果数据帧是有效的,再判断接收机是否处于自学习状态,如果处于自学习状态,则调用自学习模块,将ID信息保存至接收机内,如果处于普通工作状态,则实时显示压力值与温度,如发生故障就报警。为解决轮胎位置识别问题与保证安装方便,胎压图8 接收机软件流程图监测节

15、点外壳贴有LF(LeftFront)左前轮、RR(RightRear)右后轮等标签,而且接收机处在自学习状态时,必须将液晶显示的轮胎位置与标签对应,自学习完成后勿需再做修改。实践证明,采用接收机自学习方式组态灵活,完全能解决TPMS系统轮胎位置识别问题。4 胎压监测节点机械结构设计胎压监测节点安装在轮胎外面的气嘴上,称为/外置式0安装方式,因此节点的体积小、重量轻、防漏气与安全防盗是机械结构设计的关键问题。胎压监测节点的机械结构如图9所示。图9 胎压监测节点的机械结构图具体的胎压监测节点安装过程为:把胎压监测节点的A部位旋入到轮胎的气门嘴上,空心柱顶开气嘴的心轴,气体溢出,通过空心柱中心孔传到

16、密封垫上部的气室中,再由气室中的压力传感器芯片检测胎压;胎压监测节点的外壳与底盖密闭,保证传感器芯片、线路板、电池与天线的防尘防水与节点模块的防盗功能。设计中采用可更换电池的方法与外置式的安装第9期杨 旸,闵云龙等:基于MEMS压力传感器的外置式数字胎压监测系统技术,即使电池电量耗尽或者更换轮胎,节点模块也能反复使用,与同类TPMS产品相比,极大提高了产品的使用寿命,也大大降低了成本。5 系统测试结果5.1 操作台模拟测试在数字TPMS系统的软硬件设计完成以后,在操作台上进行发射与接收系统的模拟测试,从示波器上读取发射与解调数据帧,如图10所示,其中图10 (a)、10(b)是经过调制的发射数

17、据帧, 10(c)是接收到的相应解调数据。图10 5.2 TPMS车载测试TPMS车载测试为高速路面,汽车行驶速度为60120 km/h,环境温度为2528e,胎压监测节点每次发送两帧数据,每次时间间隔为2 min,在6 h内,气压与温度数据接收数在330帧以上,信号接收可靠度超过91%,已完全达到了设计的预定要求。5.3 可靠性测试数字TPMS系统安装在台架上,并接入TPMS专用数据测试系统进行可靠性测试。环境温度为2230e,4个轮胎的充气气压值分别为左前胎32.4 ps,i右前胎34. 1 ps,i左后轮34. 7 ps,i右后轮33. 6 psi。胎压监测节点发射无线数据的时间间隔为5

18、 min,轮胎正常状况下无线传感器每次发送一帧数据,台架旋转速度为60180 km/h,在4 h内,气压与温度数据接收数分别在44帧以上,信号接收可靠度为92%以上,TPMS专用数据测试系统气压与胎压监测节点检测气压基本一致,实时反映气压信息。可靠性试验反复20次,20次无明显差异,整套数字TPMS系统稳定可靠。6 结论本文设计了一种基于MEMS压力传感器的胎压监测系统,给出了总体方案、详细的硬件设计、软件控制策略与通信协议,并对该系统进行了台架试验、车载测试与可靠性试验。测试结果表明:在接入TPMS系统的车辆中,胎压监测节点没有错误帧,无线发射帧的刷新时间间隔准确,胎压监测节点与接收器信息交

19、互正常,性能稳定;该系统在车辆行驶过程中实时监测轮胎气压与温度,精确度高,无线传输数据无丢包,无线链路通讯可靠。而且该系统能够准确地识别4个不同轮胎位置的无线传感器监测的轮胎压力与温度数据。TPMS是目前汽车安全中的热点,随着美国与欧盟陆续推出了相关法案(美国的TREAD法规14等),在汽车上加装TPMS系统,是必然的发展趋势。由于成本的因素,已有车辆不可能回到汽车生产原厂补装TPMS系统,本设计实现的基于SP30的外置直接式数字胎压监测系统,从根本上解决了这个亟待解决的加装TPMS困难的问题。随着硬件成本不断降低与无线网络通信性能越来越好,外置直接式数字胎压监测系统必将以其先进的性能替代目前汽车上大量使用的间接式TPMS,并成为加装TPMS的首选。第 11 页