曹景勝 石晶 段敏 魏丹

（遼寧工業(yè)大學(xué)）

在導(dǎo)致交通事故的眾多原因中，輪胎故障是主要原因之一[1-2]。由輪胎壓力過低、過高和輪胎溫度過高導(dǎo)致的爆胎嚴(yán)重影響了駕駛員的行車安全[3-4]。汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是汽車行駛工況下的三大安全系統(tǒng)之一。2012年前后，歐美和日韓等國(guó)已經(jīng)將汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為強(qiáng)制安裝的標(biāo)準(zhǔn)，而在國(guó)內(nèi)，自主車企生產(chǎn)的汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝配率依然很低。隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，在汽車上安裝智能化與無(wú)線化的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必要且必須的。文章針對(duì)輪胎故障等問題開發(fā)了基于SP37和STM 32的汽車無(wú)線胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以SP37胎壓監(jiān)測(cè)傳感器和STM 32微控制器為核心，通過4個(gè)胎壓采集傳感器對(duì)汽車輪胎進(jìn)行胎壓監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)線發(fā)送到駕駛室內(nèi)部的接收終端進(jìn)行無(wú)線接收與解調(diào)，并顯示在12864液晶上，使得車主能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)到汽車胎壓。若胎壓異常，接收終端會(huì)進(jìn)行聲光電報(bào)警。系統(tǒng)總體框圖，如圖1所示。

圖1 汽車無(wú)線胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要分為采集發(fā)射硬件終端和接收顯示硬件終端，其電路框圖，如圖2所示。由于采集發(fā)射終端要安裝在汽車的4個(gè)輪胎上并且裸露在外部環(huán)境中，因此需要設(shè)計(jì)體積小、功耗低及鋰電池供電等?；诖耍x用了英飛凌公司生產(chǎn)的SP37無(wú)線胎壓監(jiān)測(cè)傳感器，該芯片集成了壓力傳感器、溫度傳感器、RF射頻發(fā)射器以及微控制器等。其中RF射頻發(fā)射器可設(shè)置為ASK和FSK調(diào)制發(fā)射[5]，其頻率可選擇315 M H z和434 M H z。其最小系統(tǒng)電路原理圖，如圖3所示。

圖2 汽車無(wú)線胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)電路框圖

圖3 SP37最小系統(tǒng)的電路原理圖

采集發(fā)射終端的電源設(shè)計(jì)為鋰電池供電，主要完成單節(jié)鋰電池從3.7 V到3.3 V的穩(wěn)壓。穩(wěn)壓芯片采用XC6206低壓差LDO穩(wěn)壓芯片，該芯片最低壓差可達(dá)100 m V，非常適合便攜式應(yīng)用。電源穩(wěn)壓電路原理圖，如圖4所示。

圖4 采集發(fā)射終端的電源穩(wěn)壓電路原理圖

接收顯示終端要求穩(wěn)定性好、性價(jià)比與實(shí)時(shí)性高?？紤]到該終端完成的功能較多，文章采用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM 32F103C8T6微控制器，該芯片基于ARM Cort ex-M 3內(nèi)核，專門為高性能、低成本及低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，因此廣泛應(yīng)用在汽車主動(dòng)安全監(jiān)控領(lǐng)域。該微控制器最小系統(tǒng)的電路原理圖，如圖5所示。接收顯示終端無(wú)線接收SP37傳感器采集的胎壓和溫度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中采用TDA5240無(wú)線射頻接收芯片，該芯片是為匹配SP37胎壓監(jiān)測(cè)傳感器應(yīng)用而推出的低功耗和高靈敏度的無(wú)線射頻接收器[6]，其同樣可以設(shè)置為ASK和FSK調(diào)制發(fā)射。該芯片通過SPI接口與STM 32微控制器進(jìn)行硬件連接，其實(shí)物模型圖，如圖6所示。

圖5 接收顯示終端的STM32最小系統(tǒng)電路原理圖

圖6 TDA5240芯片的實(shí)物模型圖

接收顯示終端采用12864液晶顯示屏的主要目的是為了實(shí)時(shí)顯示汽車行駛過程中4個(gè)輪胎的胎壓和溫度信息，若胎壓低于標(biāo)準(zhǔn)值等異常情況發(fā)生，則在12864液晶顯示屏上進(jìn)行報(bào)警提示。該液晶顯示屏與STM 32微控制器的接口電路原理圖，如圖7所示。

圖7 STM32與12864液晶的接口電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件包括胎壓采集發(fā)射軟件和無(wú)線接收顯示軟件。采集發(fā)射軟件運(yùn)行于采集發(fā)射終端，該終端安放于汽車4個(gè)輪胎處；無(wú)線接收顯示軟件運(yùn)行于接收顯示終端，該終端安放于駕駛室內(nèi)部。胎壓采集發(fā)射軟件主要包括系統(tǒng)初始化模塊、汽車胎壓采集模塊、車輪溫度采集模塊及RF無(wú)線發(fā)射模塊等，其軟件流程圖，如圖8所示。

圖8 采集發(fā)射終端的軟件流程圖

無(wú)線接收顯示軟件主要包括系統(tǒng)初始化模塊、TDA5240 RF無(wú)線接收模塊、RF數(shù)據(jù)解調(diào)模塊及12864中文液晶顯示模塊等，其軟件流程圖，如圖9所示。

圖9 接收顯示終端的軟件流程圖

系統(tǒng)實(shí)物研發(fā)完畢后，將采集發(fā)射終端安裝在汽車輪胎氣門處，接收顯示終端安裝于汽車駕駛室儀表盤附近，進(jìn)行調(diào)試，其胎壓性能測(cè)試和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的胎壓值與實(shí)際胎壓值進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明相對(duì)誤差控制在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍（±3%）內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

表1 胎壓性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

文章針對(duì)汽車行駛過程中車輪爆胎問題研究了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種智能化無(wú)線胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了測(cè)試和試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，同時(shí)本系統(tǒng)成本低、體積小巧且安裝簡(jiǎn)單，極大地提高了汽車行車的安全性，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。