（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300131）

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)是一種可靠的汽車行駛安全保障，在汽車行駛時(shí)，主要通過安裝在汽車輪轂上的胎壓傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測4個(gè)輪胎的胎溫胎壓數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給胎壓數(shù)據(jù)接收裝置完成實(shí)時(shí)顯示，使駕駛?cè)藛T能預(yù)判因輪胎胎溫胎壓的變化對(duì)汽車行駛帶來的影響，提前做出反應(yīng)來避免交通事故的發(fā)生[1-6]。

以國內(nèi)某汽車生產(chǎn)廠家為依托，提出了一種實(shí)用化胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案設(shè)計(jì)的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：胎壓傳感器、胎壓數(shù)據(jù)接收裝置和胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)。其中，胎壓傳感器用來實(shí)時(shí)監(jiān)測輪胎的氣壓和溫度；胎壓數(shù)據(jù)接收裝置用來接收和顯示胎壓傳感器發(fā)來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)作為獨(dú)立于汽車的輔助設(shè)備，主要完成胎壓傳感器與胎壓數(shù)據(jù)接收裝置的定位匹配工作。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 胎壓傳感器的硬件設(shè)計(jì)

胎壓傳感器的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，其中低頻信號(hào)接收天線與SP370連接用來接收胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)發(fā)出的125 kHz低頻喚醒信號(hào)，SP370將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，完成對(duì)自身的喚醒，并完成對(duì)胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)的應(yīng)答。

圖1 胎壓傳感器的硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Tire pressure sensor hardware design

SP370處理采集到的胎溫胎壓等信息，并產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，之后SP370對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行FSK調(diào)制，調(diào)制成中心頻率為433.92 MHz的高頻數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過高頻信號(hào)發(fā)射天線完成發(fā)射。

供電鋰電池采用3 V紐扣電池，提供SP370芯片正常工作所需的電壓。

1.2 胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。其中以飛思卡爾公司的S9S8AW16單片機(jī)為核心，即圖2中的MCU。MCU能產(chǎn)生喚醒胎壓傳感器所需的125 kHz低頻數(shù)據(jù)波，數(shù)據(jù)波經(jīng)功率放大模塊的放大后，再經(jīng)過LC振蕩模塊，調(diào)制為以正弦波為載波的信號(hào)波，喚醒胎壓傳感器。

圖2 胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Tire pressure monitoring learning machine hardware design

高頻信號(hào)接收模塊接收胎壓傳感器發(fā)來的高頻數(shù)據(jù)信號(hào)，將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，以SPI四線通訊方式將數(shù)字信號(hào)傳送給MCU處理。

胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)讀碼后得到已安裝在汽車4個(gè)不同位置輪胎內(nèi)的胎壓傳感器的ID身份信息，通過SCI通訊方式并按照一定的協(xié)議發(fā)送給胎壓數(shù)據(jù)接收裝置，完成胎壓數(shù)據(jù)接收裝置與胎壓傳感器之間的定位匹配工作。之后胎壓數(shù)據(jù)接收裝置只接收符合這4個(gè)ID號(hào)的胎溫胎壓信息。

MCU和高頻信號(hào)接收模塊正常工作所需的電壓由3 V電池組提供。

1.3 胎壓數(shù)據(jù)接收裝置的硬件設(shè)計(jì)

胎壓數(shù)據(jù)接收裝置的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，其中以飛思卡爾公司的MC9S08AW32單片機(jī)為核心，即圖3中的MCU。高頻信號(hào)接收模塊接收胎壓傳感器發(fā)來的高頻數(shù)據(jù)信號(hào)，將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，以SPI四線通訊方式將數(shù)字信號(hào)傳送給MCU處理，MCU將校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)以3線SPI通訊方式傳輸給液晶顯示屏直接顯示。MCU通過SCI通訊方式，來接收胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)發(fā)來的4個(gè)胎壓傳感器的ID號(hào)，將其存儲(chǔ)。

圖3 胎壓數(shù)據(jù)接收裝置的硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Tire pressure data receiving device hardware design

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 胎壓傳感器的軟件設(shè)計(jì)

此胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的信號(hào)編碼方式采用曼徹斯特編碼。胎壓傳感器的軟件流程如圖4所示，由于SP370內(nèi)部集成了壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器。所以通過加速度傳感器來感應(yīng)汽車所處的狀態(tài)，當(dāng)汽車靜止時(shí)SP370進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)SP370進(jìn)入工作狀態(tài)，這樣來實(shí)現(xiàn)胎壓傳感器的低功耗要求。胎壓傳感器發(fā)出的高頻數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。主要包括胎壓傳感器的ID號(hào)、輪胎壓力、輪胎溫度、胎壓傳感器電池電量、從ID到電池電量的CRC校驗(yàn)和。

圖4 胎壓傳感器的軟件流程Fig.4 Software flow chart of the tire pressure sensor

表1 高頻數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 High frequency data frame format

2.2 胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)的軟件流程如圖5所示，胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)主要通過發(fā)射低頻喚醒信號(hào)來喚醒胎壓傳感器，并接收和處理胎壓傳感器發(fā)回的高頻數(shù)據(jù)信號(hào)來獲取胎壓傳感器的ID號(hào)。胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)發(fā)射的低頻喚醒信號(hào)幀格式如表2所示。胎壓學(xué)習(xí)機(jī)將ID號(hào)寫入到胎壓數(shù)據(jù)接收裝置的數(shù)據(jù)幀格式如表3所示。其中ID1～I(xiàn)D4分別表示左前輪、右前輪、左后輪、右后輪內(nèi)胎壓傳感器的ID。

圖5 胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)的軟件流程Fig.5 Software flow chart of the tire pressure monitoring learning machine

表2 低頻信號(hào)幀格式Tab.2 Low frequency signal frame format

表3 寫入數(shù)據(jù)幀格式Tab.3 Write data frame format

2.3 胎壓數(shù)據(jù)接收裝置的軟件設(shè)計(jì)

胎壓數(shù)據(jù)接收裝置的軟件流程如圖6所示，胎壓數(shù)據(jù)接收裝置接收胎壓傳感器發(fā)來的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過胎壓監(jiān)測學(xué)習(xí)機(jī)已寫入的ID號(hào)來完成數(shù)據(jù)與方位的匹配。胎壓數(shù)據(jù)接收裝置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)通過校驗(yàn)則直接在液晶顯示屏上對(duì)應(yīng)該方位處顯示。

圖6 胎壓數(shù)據(jù)接收裝置的軟件流程Fig.6 Software flow chart of tire pressure data receiving device

3 實(shí)驗(yàn)測試與實(shí)際測試結(jié)果

經(jīng)測試得出如表4、表5所示的系統(tǒng)性能指標(biāo)。通過對(duì)此胎壓監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行的大量實(shí)車測試，得出的結(jié)果表明：胎壓數(shù)據(jù)接收裝置接收到數(shù)據(jù)的概率在94%以上，數(shù)據(jù)顯示的可靠率也在94%以上，表明此胎壓監(jiān)測系統(tǒng)能抗擊外部信號(hào)干擾，整體運(yùn)行可靠，能達(dá)到廠家規(guī)定的要求。

表4 胎壓傳感器的性能指標(biāo)Tab.4 Performance of tire pressure sensor

表5 數(shù)據(jù)接收裝置的性能指標(biāo)Tab.5 Performance of data receiving device

4 結(jié)語

經(jīng)過大量的測試，此胎壓監(jiān)測系統(tǒng)能對(duì)胎溫胎壓的實(shí)時(shí)變化做出快速反應(yīng)，且能保證數(shù)據(jù)的高度準(zhǔn)確性。由于此胎壓監(jiān)測系統(tǒng)均采用低功耗設(shè)計(jì)，這樣大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行的功耗，延長了系統(tǒng)的使用壽命，且由于系統(tǒng)采用顯示與數(shù)據(jù)接收裝置的一體化設(shè)計(jì)，大大降低了胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的成本。目前，本系統(tǒng)已得到國內(nèi)某大型汽車生產(chǎn)廠家應(yīng)用，經(jīng)實(shí)際測試和使用表明，此胎壓監(jiān)測系統(tǒng)能為汽車的行駛安全提供可靠的保障。

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