基于嵌入式微处理器的轮胎压力监控系统的设计

1 引言

　　随着汽车消费市场的日益升温， 汽车的安全性能更加被消费者所关注。在汽车的高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美国这一比例高达80％。基于此，美国运输部(dot)国家公路交通安全管理委员会(nhtsa)出台法规。该法规规定：2003年l1月到2006年l0月31日期间美国新出厂的轻型汽车将逐步引入轮胎压力监测系统(tyre　pressure monitoring system)[2]。鉴于如此大的市场潜力，国内外许多公司纷纷开始研制。本文提出基于motorola公司的mpxy8040温度和压力传感器、mc68hc908rf2嵌入式一体化微处理器和射频发射器、mc33594接收器和mc68h908kx8微处理器构成的轮胎压力监控系统。其中mpxy8040和mc68hc908rf2及其外围电路构成测量和发送子系统，mc33594和mc6-8h908kx8及其外围电路构成接收、处理和显示主系统。

2 tpms系统构成[2]

　　轮胎压力监测系统分为直接系统和间接系统。间接系统即通过车速传感器来确定轮胎压力变化，利用abs轮速传感器来间接测量胎压，成本低，但精度差，无法在任何时间工作。直接式压力测量法利用车轮内的压力传感器和无线发送器，发射信号到射频接收器，来直接测量温度和压力，精度可靠，成本较高。

　　直接测量系统需要在每个轮胎上安装1个远程感应模块来采集数据，在车内安装1个接收模块来接收和处理数据，并为司机提供适当的显示即可。

3 硬件设计和实现

　　系统电路原理图如图1和图2所示。

图1 轮胎子系统电路原理图

图2 仪表盘主系统电路原理图

3.1 轮胎子系统(子机)硬件设计

　　(1) 气压和温度传感器和信号调理电路。采用motorola公司的mpxy80-40a[4]传感器测量轮胎压力和温度，mpxy8040a压力温度传感器芯片是motorola公司为测量汽车轮胎压力和温度而设计的高集成芯片。该芯片内嵌一个容性绝对压力传感器和一个温度传感器，包括压力变换器、正温度系数扩散电阻温度传感器和所有必须电路，用以产生一个校准的8bit温度和压力数字输出，能够测量0kpa～637.5kpa的轮胎压力和一40℃～125℃范围内的轮胎温度，适用于气体媒介和一般的胎内环境。每个芯片有标识id，用于识别是哪一个轮胎。

　　mpxy8040a压力传感器的典型电气参数为：3v工作电压，低功耗，待机电流600na，压力采样电流15ma，温度采样电流500μa。它有4种工作模式：待机/复位、压力检测、温度检测、数据输出；4种工作模式灵活运用以满足系统节电的要求。内置的低频振荡器，可用于唤醒mcu。

　　(2) 微控制器和发射电路。采用motorola公司mc68hc908rf2[5]芯片，该芯片是高性能、低功耗，32引脚、lqfp表面贴装器件，供电电压1.8v-3.6v，适合于-40度到+125度的环境温度，待机电流0.1na，fsk的传输电流11.6ma，ask的传输电流8ma。该芯片封装了2个模块；第1个是2kb快闪hc08 mcu，第2个是射频发射模块，能在自由空间能够传输数字数据信号达到了几百米左右。

　　mc68hc908rf2芯片，具有hc08内核、2kflash用户存储器、256字节专用flash数据存储器，128字节ram、17位寻址、16位索引寄存器和堆栈指针、8个通用i/o口、6个具有键盘中断功能的输入、2个led输出；另外它还集成了射频发射模块，低功耗的pll锁相环射频发射器，可以完成数字信号的调制和发送、支持315/434和868/915mhz的fsk和ask调制方式，具有控制发送和输出功率的功能，输出功率可调(达到5dbm),数据传输率最大11kbps、集成pll锁相环和vco压频振荡器，采用pcb印制天线，发射器无须调整，外部元器件少，工作稳定可靠。

　　(3) 供电电源:采用3v纽扣式锂电池供电。

　　3.2 控制和显示部分(主机)的硬件设计

　　(1) 主机的接收电路：主机的接收和解码电路采用motorola公司的mc33594[3]芯片，mc33594与motorola公司mc68hc908rf2芯片的发射电路兼容，mc33594芯片能够接收和解调manchester编码数据，通过通用的spi总线向嵌入式微处理器mc68h908kx8输出数据。调制方式：ask和fsk；工作频率：315/433mhz 或者866/915mhz；低电流消耗，run模式下的工作电流4.3ma、stop模式下的工作电流10ma；内部和外部选通；1ms的唤醒时间；数据传输速度最高可达11kbps；带有字节或音调探测的数据管理器(dm)；带有manchester编码信号的时钟恢复；可完全由spi接口配置；较少的外部元件。

　　(2) 主机的微控制器：采用motoro-la公司的mc68h908kx8[6]芯片；该芯片同mc68hc908rf2芯片相比较，只是少了uhf发射芯片。其它性能指标相同。

4 通讯协议和数据格式[1][5]

　　系统数据采用manchester编码、fsk调制的方式通讯。数据的发送速率是9600bps, manchester编码利用高电频变到低电频表示0，低电频变到高电频表示1；fsk调制时利用两个不同的频率来表示数字的高、低信号，本系统中用较低的频率表示1、较高的频率表示0；接收器mc33594芯片的数据管理器已经设置成这样的调制和解调方式。当轮胎模块设置成发送数据时，它先唤醒接收器，然后发送数据帧，最后到睡眠状态。一个完整的数据帧由以下几部分构成：(1)前导同部位(preamble)，共16bit,通常设置成16进制的fb86，前4位(1111)用于唤醒接收器并将建立内部电路；接下来的8bit(b8)用于配置寄存器cr2中的配置值，目的是用来启动数据管理器，剩余的4bit(0110)用来激活mc33594使其工作，表明有效数据的开始；(2)缩紧随前导位(prea-mble)的有效数据是器件的id号，共32bit，用来区分不同的发射器，(3)压力和温度信号，各占8bit；(4)状态信号，占8bit；(5)8bit的校验和2bit的停止位，校验位可以帮助减少由其它因素引起的干扰，保证数据的完整和正确，两个停止位通知接受器传送数据完毕；整个完整的数据帧共包含了82个数据位。

5 系统的软件设计

　　5.1 信号检测处理和发射程序的设计

　　模块每3秒被唤醒，测量温度和压力参数，将最大值和最小值存入ram中，如果没有变化，增加计数器的计数值，返回休眠模式；经过10个计数，约30秒后，将数据传至接受器模块，如果有较大的变化，则进入快速发送模式，连续发送255次。具体的流程图如图3所示。

图3 轮胎微处理器的工作流程图

　　5.2 轮胎信号数据发送流程

　　首先测量电池的电压，电压正常则进入工作模式，测量数据，发送数据，数据发送完成，进入休眠状态。具体的流程图如图4所示。

图4 轮胎压力、温度数据测量和发送流程图

5.3 仪表盘接收系统程序流程

　　上电复位后，初始化mc68h908-kx8、配置mc33594，并且自检主机系统，自检通过则led闪烁，否则点亮相关的led，之后等待spi的数据帧，收到后，进行数据校验，正确则判断是否是轮胎传感器的id，是则进行相关的显示，否则忽略。具体流程图如图5所示。