压力传感器SP12在胎压监视系统中的应用

压力传感器SP12在胎压监视系统中的应用
作者：刘元宾、靳世久、陈世利单位：天津大学精密仪器与光电子学院转载：电子测量技术发布时间：2008-09-28
引言
在汽车高速行驶过程中，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之一。

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，而在美国这一比例则高达80%。

怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题[1]。

据国家橡胶轮胎质量监督中心的专家分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，SP12可以测量压力、温度、以及加速度，所以SP12可以及时地检测到轮胎压力及温度给驾驶员提供最新的数据，防止爆胎，减小生命危险。

1、 SP12传感器介绍
英飞凌公司的SP12传感器整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器、温度传感器和一个电池电压监测器，提供四合一传感功能，并配有一个能完成测量、信号补偿与调整及SPI 串行通信接口CMOS大规模集成电路[2]。

英飞凌的SP12传感器测量范围：(1)压力范围：100 kPa 到 450 kPa，分辨率1.37 kPa/lsb；(2)加速度范围：-12 g 到 115 g，分辨率 0.5 g/lsb；
(3)温度范围：-40 ℃ 到+125 ℃，分辨率1℃/lsb；(4)传感器供电电压：1.8 V 到 3.6 V，分辨率18.4 mV/lsb。

英飞凌的SP12传感器的优点：(1)检测精度方面：硅压阻式压力传感器SP12是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，其测量精度能达0.01%～0.03%FS；(2)测量可靠性方面：SP12 设有补偿功能，可以对压力, 加速度,温度,供电电压信号进行检测和补偿,准确提供不同型号轮胎在不同环境时的正确补偿值，有效地保证了测量可靠性；(3)低功耗方面：英飞凌的 SP12传感器首先是采用了唤醒瞬态工作模式，当它工作在睡眠工作模式时其功耗仅0.6微安秒，器件所有数字模拟部分全部工作时的电流消耗是6mA，大大地降低系统功耗，延长了电池的使用寿命。

2 、硬件电路设计
2.1 单片机与SP12以及液晶显示模块连接电路原理图
图1
本例中MCU选用的是Cygnal公司的C8051F310单片机，压力和温度传感器选用英飞凌公司的SP12，LCD选用的是LMB018ACF。

选用液晶显示模块的目的是可以及时显示实验数据，对实验结果进行验证，以便对实验进行修改。

由于SP12具有SPI串口，可以直接跟单片机的SPI口进行连接即可进行通讯，也可以跟单片机其他的I/O口相连，通过软件模拟的方式实现串口的通讯。

本例中单片机具有SPI口，可以直接与SP12进行连接。

电路图如上图1所示。

各引脚功能说明
C8051F310单片机引脚[3]：
NSS：从选择，功能是输出片选信号到NCS选中SP12。

SCK：串行时钟输出，单片机与SP12及液晶显示模块进行串行数据通讯的时钟输出。

MOSI：主出从入信号，用于单片机到SP12串行数据输出。

MISO：主入从出信号，用于单片机接收来自SP12的串行数据输入。

SP12传感器引脚：
NCS：片选使能输入信号，当NCS接收到低电平信号时SP12被选中工作，否则SP12不工作。

SCLK：串行时钟输入/输出，用于输出或者接收数据传输的串行时钟，本例中用于接收来自单片机的串行时钟。

SDI：串行数据输入信号，用于接收单片机的串行数据输入。

SDO：串行数据输出信号，用于向单片机串行输出SP12的测量数据。

液晶显示LMB018ACF引脚[4]：
CS：片选使能，接收来自单片机的片选信号。

A0：数据/命令选择端，接低时输入数据为控制命令，接高时输入数据为显
示数据。

SCL：输入，选择串行输入方式时SCL 为串行时钟输入端。

SI：输入，选择串行输入方式时SI 为串行数据输入端。

2.2 SP12的串口协议[5]
SP12 内置了一个用于和单片机通讯的SPI串行接口。

其最大通讯速率可以达到500kHz。

图2
SP12的数据传输时序图如图2所示，在NCS 为“高”时，所有在CLK 和SDI 上的信号都无效。

SDO 将会被置成高阻状态。

在NCS 的下降沿时， CLK 必须为“低”，此后每一个时钟的上升沿，SP12 的响应数据将会从SDO 输出（LSB-MSB）。

而在每一个时钟的下降沿，SDI 将会接受新的指令数据（LSB-MSB）。

之后，收到的指令将被译码从而决定数据的目标地址。

在第8个时钟的下降沿以后，NCS的上升沿将会使保存在 SPI移位寄存器中的数据传送到对应的地址中去。

控制指令字和响应输出字都是8位的，响应输出的内容决定于上次输入的指令。

每次当控制字节“位移入”的同时，上一条控制字节的相应会“位移出”。

所以每一对指令和响应都需要2个完整的8bit的时钟移位周期。

3、软件具体实现
3.1 软件控制流程图
3.2 单片机端口配置
对单片机的NSS、SCK、MOSI、MISO引脚进行输入输出配置。

其中NCSS、SCLK、MOSI设置为数字输出，MISO设置为数字输入。

3.3 SP12数据传输时序实现
由于SP12数据传输时对时序的要求很严格，必须完全按照其时序要求设计才能实现数据的正常传输，所以本应用中严格按照其时序要求分别设计了控制命令发送子程序和响应数据接收子程序，实现了与SP12的数据通讯。

(1)控制命令发送子程序设计：
将NSS设置为高电平（NSS=1），时钟SCK设置为低电平（SCK=0），延时；NSS设置为低电平（NSS=0），延时；单片机MOSI引脚在 SCK时钟下开始向SP12串行发送控制指令（数据低位在前，数据高位在后）；八位控制指令发送完毕，将NSS置高（NSS=1），延时，将SCK置高（SCK=1）；控制命令发送子程序结束。

(2)响应数据接收子程序设计：
将NSS设置为高电平（NSS=1），时钟SCK设置为低电平（SCK=0），延时；NSS设置为低电平（NSS=0），延时；单片机MISO引脚在 SCK时钟下开始接收SP12发送过来的串行响应数据（数据低位在前，数据高位在后）；八位响应数据接收完毕，延时，将NSS置高（NSS=1），延时，将SCK置高（SCK=1），返
回接收数据；响应数据接收子程序结束。

(3)主要指令说明如表1所示。

表1 主要指令代码说明
3.4 单片机对数据进行处理
由于SP12测量的压力、温度、加速度以及电压并不能直接用来表示实际的压力、温度、加速度以及电压，需要进行二次处理才能转化为实际检测值。

所以，需要单片机对接收到的SP12响应数据进行处理后才能送到液晶显示器进行显示。

(1)压力数据处理：实际压力 = 温度字节数据×1.37 + 100（kPa）
(2)温度数据处理：温度字节中的内容（T+50），反映了测量到的温度T，单位是摄氏度。

其范围是10~175，对应于-40~125℃的温度范围，即：实际温度= 温度字节数据–50（℃）
由于温度测量存在非线性误差，因此必须进行修正，修正公式为：
为非线性误差。

式中：为修正后的温度，为实际温度，T
A
(3)加速度数据处理：实际加速度 =（加速度字节数据×0.5）– 12（g）
(4)电压数据处理：实际电压 =（电压字节数据×0.0184）+ 1.73（V）
3.5 用液晶显示数据
将经过单片机处理后的数据传送给液晶显示模块进行实时的现实，借助液晶显示模块可以及时方便地对实验结果进行判断，发现错误并进行修改，节省时间，提高实验效率。

4、调试过程注意的问题
4.1 单片机与SP12串行通讯时的时序问题
(1)传输速率应不大于500kHz。

(2)在SP12的片选信号NCS被拉低使能时，时钟信号SCK必须为低电平。

(3)在SP12的片选信号NCS上升沿之前的时钟脉冲个数必须是0，8或者16。

(4)SP12指令输入SDI、响应输出SDO与时钟信号SCK之间的时序应严格按SP12串行通讯的时序要求进行。

由于SP12对串行通讯时的时序要求非常严格，在本实验调试初期一直得不到正确的实验结果，通过对SP12通讯时时序进行仔细研究后，严格按照SP12通讯时的时钟及数据传输时的时序时间要求对软件进行编程后，最终实现了单片机与SP12的正确通讯。

4.2 单片机向SP12发送控制指令说明
在使用SP12对温度、压力、电压及加速度进行测量时，在发送测量补偿指令之前，应首先向SP12发送一条回送指令，使SP12进行测量准备，然后在单片机发送下一条测量指令时，接收到SP12的回送指令，说明SP12已经准备好测量，下一次接收到的SP12数据就是要测量的数据。

应特别注意的一点是如果测量前不向SP12发送回送指令，而是直接发送测量指令，SP12可能会因为没有准备好测量而致使返回的数据出错。