自动化仪表课程设计-轮胎胎压自动监测系统剖析

自动化仪表大作业

轮胎胎压自动监测系统[在线检测胎内压力和温度，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,安装和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和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,延长了电池和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、软件流程和通信协议。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,并对胎压和温度异常进行报警,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的主流和发展趋势。直接式轮胎压力监控系统又分为主动式(Active)和被动式(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。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系统原理和总体结构

TPMS系统主要由胎压监测节点和接收机两部分构成,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和温度信号,经A/D转换,MCU获得压力值和温度数据,遵循特定的通讯协议进行编码后,再由RF发射芯片和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和对应的压力、温度值,然后进行分析、存储和显示,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SP30[5],它是一款嵌入式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和两个片上振荡器,支持空闲掉电等多操作模式,支持低频唤醒(Low FrequencyWakeup)和内部时钟唤醒(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和温度,芯片内部嵌入低噪声放大器和ADC,采集精度高。MCU使用固件(Fireware)直接控制AD转换和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和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。

获取轮胎压力值和温度后,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

MICRF112[6],其操作电压范围为1. 8~3. 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,它能阻止系统故障和掉电时的电池放电。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和校验精度,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MICRF211[7]作为射频接收芯片和Mirco-chip公司的生产PIC16F886[8]作为接收机处理器。接收机硬件电路图如图4所示。