唐衛(wèi)斌

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，商洛 726000）

引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)開(kāi)始大量使用，隨之而來(lái)的就是汽車(chē)行駛安全問(wèn)題。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在未來(lái)的幾年甚至幾十年汽車(chē)的年產(chǎn)銷(xiāo)量將呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的姿態(tài)，伴隨著這種大量增長(zhǎng)的勢(shì)頭，汽車(chē)行駛出現(xiàn)的安全隱患問(wèn)題接踵而至，是當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。

輪胎是支撐車(chē)體重量、驅(qū)動(dòng)、傳遞和牽引力、制動(dòng)力導(dǎo)向，保證車(chē)輛與地面的附著性的重要零件。全球每年發(fā)生的汽車(chē)交通事故中，死亡人數(shù)高達(dá)50萬(wàn)人，其中輪胎爆胎引發(fā)的事故占70 %[1]。輪胎氣壓不足或過(guò)高都會(huì)造成輪胎磨損，壽命減少，由此可知，汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控是保證輪胎安全的重要技術(shù)[2]。傳統(tǒng)的汽車(chē)輪胎其強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控方法受到汽車(chē)行駛距離的影響，距離越遠(yuǎn)，安裝在汽車(chē)輪胎的監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)裝置消耗電流電量越多，工作壽命越短。因此，提出基于嵌入式系統(tǒng)的汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控研究，利用嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸，以此解決傳統(tǒng)方法中存在的問(wèn)題。

1 基于嵌入式系統(tǒng)的汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控方法設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)是一種嵌入在受控器件內(nèi)部，針對(duì)特定任務(wù)而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[3]。在汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控方法設(shè)計(jì)中，將不同功能的芯片安裝在汽車(chē)輪胎內(nèi)部，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)達(dá)到監(jiān)控輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)的目的。

1.1 監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)傳感器設(shè)計(jì)

監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)是整個(gè)汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控的發(fā)起者，考慮汽車(chē)輪胎實(shí)際工作溫度范圍及輪胎壓力情況，傳感器溫度測(cè)量滿(mǎn)足-40 ℃～125 ℃，傳感器壓力測(cè)量范圍為100～450 kPa[4]。

根據(jù)上述需求，選擇SP370作為監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)的傳感器，其剖面圖如圖1所示。

圖1 SP370剖面圖

該芯片是具有14引腳的SOP封裝，其各引腳功能如表1所示。

表1 SP370引腳功能

將傳感器作為監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)安裝在汽車(chē)輪胎內(nèi)部，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻傳輸，將氣壓傳感器獲取的氣壓強(qiáng)度信號(hào)傳輸至處理中心。

1.2 無(wú)線(xiàn)射頻傳輸設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際的汽車(chē)環(huán)境、輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)的采集手段，監(jiān)控中的各個(gè)模塊間無(wú)法通過(guò)有線(xiàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)射頻傳輸功能，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻傳輸方式實(shí)現(xiàn)通信[5]。

采用MAX1471作為射頻接收器，MAX1471中包含了超外插接收器所需要的全部有源元件，并且其內(nèi)部存在的一個(gè)非連接接收模式，能夠保證功耗較低，具有一定的節(jié)能功能。

將MAX1471外接一個(gè)10.4 MHz的低通濾波器，提高輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)質(zhì)量。晶振的頻率同接收載波的頻率的關(guān)系如公式1所示。

式中：

xz—接收載波的頻率；

xXTAL—晶振頻率。

在MAX1471中，MIXOUT、AGND和IFIN+負(fù)責(zé)連接低通濾波器，用于ASK數(shù)據(jù)的解調(diào)[6]。MAX1471內(nèi)部的寄存器的讀寫(xiě)控制通過(guò)微控制器連接SCLK、CS和DIO實(shí)現(xiàn)[7]。

ADATA引腳置于高位，表示接收的是ASK解調(diào)數(shù)據(jù)。ASK接收數(shù)據(jù)是利用二進(jìn)制數(shù)1和0控制載波的通斷，其目的是在載波在數(shù)據(jù)信號(hào)1的狀態(tài)下，傳輸信道傳送載波；在數(shù)字信號(hào)0的狀態(tài)下，傳輸信道終端載波傳送。傳輸?shù)妮d波信號(hào)如下：

FDATA置于高位，表示接收的是FSK解調(diào)數(shù)據(jù)。FSK是利用數(shù)字信號(hào)的1和0控制兩個(gè)不同頻率的載波信號(hào)交替輸出。其表達(dá)式為：

式中：

Fm—采樣信號(hào)；

t—周期；

ω—頻率；

ψ—幅度；

f1(t)—數(shù)字信號(hào)為1時(shí)的FSK解調(diào)數(shù)據(jù)；

f2(t)—數(shù)字信號(hào)為0時(shí)的FSK解調(diào)數(shù)據(jù)[8]。

接收信號(hào)環(huán)節(jié)主要通過(guò)與微控制器連接的引腳，進(jìn)而對(duì)MAX1471內(nèi)部期存器進(jìn)行讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)的接收。MAX1471的寫(xiě)入操作時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 射頻接收器寫(xiě)入操作時(shí)序圖

通過(guò)上述過(guò)程接收由監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)钠?chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)，此時(shí)監(jiān)控到的信號(hào)是模擬信息，設(shè)計(jì)A/D信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換功能，將模擬信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息，通過(guò)監(jiān)控顯示模塊展示在用戶(hù)面前。

1.3 A/D信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

使用12位的ADC進(jìn)行電壓信號(hào)的采集，具體工作電路圖如圖3所示。

圖3 ADC12輸入電路開(kāi)關(guān)和采樣保持電路

ADC12的內(nèi)部存在兩種參考電壓可供選擇，另外在汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，所需要的時(shí)鐘信號(hào)源可以選擇，轉(zhuǎn)換結(jié)果由專(zhuān)門(mén)的桶形緩沖[9]。

在實(shí)際信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，ADC12提供4種不同的信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換模式，供用戶(hù)選擇。分別是單通道單次轉(zhuǎn)換和單通道多次轉(zhuǎn)換，序列通道單次轉(zhuǎn)換和多次轉(zhuǎn)換[10]。

單通道單次轉(zhuǎn)換主要通過(guò)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)控制寄存器，設(shè)置汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換的通道和范圍，使用設(shè)置的通道完成一次采樣和轉(zhuǎn)換后，使用ENC復(fù)位和置位，為下一次任務(wù)做準(zhǔn)備。單通道多次轉(zhuǎn)換，使用設(shè)定的通道進(jìn)行多次任務(wù)，直到達(dá)到用戶(hù)設(shè)置的條件，停止任務(wù)。使用單通道相關(guān)轉(zhuǎn)換模式，在每次任務(wù)完成后，轉(zhuǎn)換的結(jié)果存放在ADC12中[11]。

序列通道轉(zhuǎn)換中，存在多個(gè)通道，每個(gè)通道的相關(guān)參數(shù)由特定的存儲(chǔ)控制寄存器設(shè)置，單次轉(zhuǎn)換與多次混轉(zhuǎn)換模式基本類(lèi)似，不同的是，在實(shí)汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控過(guò)程中，單次轉(zhuǎn)換只完成一次信號(hào)轉(zhuǎn)換，多次轉(zhuǎn)換，會(huì)一直轉(zhuǎn)換，直到達(dá)到用戶(hù)設(shè)置的條件，停止轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際輪胎氣壓強(qiáng)度監(jiān)控中，改變轉(zhuǎn)換模式不需要停止當(dāng)前轉(zhuǎn)換，直接切換模式后，當(dāng)前轉(zhuǎn)換任務(wù)完成后，轉(zhuǎn)換后的模式直接生效。轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)字信號(hào)傳輸至監(jiān)控顯示模塊，顯示在用戶(hù)面前。

1.4 監(jiān)控顯示設(shè)計(jì)

通過(guò)S3C2440 LCD控制器控制TEL LCD，將監(jiān)控的汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度顯示在LCD上。將LCD設(shè)備注冊(cè)到監(jiān)控設(shè)備中，定義LCD平臺(tái)設(shè)備的各種資源，分配info結(jié)構(gòu)體空間，初始化結(jié)構(gòu)體中的各項(xiàng)參數(shù)和LCD控制器，申請(qǐng)幀緩沖設(shè)別的顯示緩沖區(qū)空間，注冊(cè)info，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD顯示模式進(jìn)行設(shè)定的硬件接口函數(shù)[12]。

注冊(cè)完成后，初始化MMU，設(shè)置Nand flash的配置寄存器，選擇通信口，LCD初始化，通過(guò)串口通信接收信號(hào)。LCD監(jiān)控顯示工作原理圖如4所示。

圖4中顯示，汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示在用戶(hù)面前是由像素時(shí)鐘信號(hào)、行同步信號(hào)、幀同步信號(hào)、數(shù)據(jù)使能信號(hào)共同工作作用的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，提供人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收、處理并顯示輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)。監(jiān)控結(jié)果顯示在用戶(hù)面前的同時(shí)，當(dāng)輪胎氣壓強(qiáng)度超過(guò)預(yù)設(shè)的極限值時(shí)，通過(guò)報(bào)警模塊，為用戶(hù)提供聲光預(yù)警。聲光報(bào)警模塊選擇8路LED發(fā)光管作為對(duì)應(yīng)的輪胎位置、高低壓提示燈，蜂鳴器作為聲音預(yù)警[13]。

至此，基于嵌入式系統(tǒng)的汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度監(jiān)控方法設(shè)計(jì)完成。

2 汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控方法性能仿真測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境

在汽車(chē)輪胎壓強(qiáng)信號(hào)監(jiān)控方法仿真測(cè)試中，采用標(biāo)準(zhǔn)C編程，選用CodeWarrior編輯環(huán)境，無(wú)縫連接AXD Debugger調(diào)試器。

為了保證在測(cè)試過(guò)程中，嵌入式系統(tǒng)上電或復(fù)位時(shí)，首先加載運(yùn)行Boot Loader程序，將內(nèi)存地址存放在Flash中的0x00000000處。系統(tǒng)上電后，在ADS中編譯程序，使用Boot Loader程序，跟操作系統(tǒng)內(nèi)核一起編譯，燒寫(xiě)進(jìn)Flash。ADS調(diào)試設(shè)置圖如圖5所示。

將Image entry point設(shè)置為0xc0080000，勾選Output local symb，完成后，文件內(nèi)生成可執(zhí)行的bin文件，成功燒寫(xiě)至目標(biāo)板的Flash中。

2.2 軟件調(diào)試

在ADS環(huán)境下編寫(xiě)汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控執(zhí)行代碼，反復(fù)調(diào)試無(wú)誤后，下載至flash中運(yùn)行。按照從局部到整體調(diào)試整個(gè)測(cè)試過(guò)程所需的軟硬件。

加載不涉及任何外設(shè)的簡(jiǎn)單多任務(wù)的應(yīng)用程序，調(diào)試開(kāi)發(fā)板運(yùn)行情況，復(fù)位引導(dǎo)代碼運(yùn)行情況，多任務(wù)程序運(yùn)行結(jié)果。

分別調(diào)試SPI數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)、中斷服務(wù)任務(wù)和數(shù)據(jù)顯示任務(wù)，直至輸出正確結(jié)果。加載編寫(xiě)的所有執(zhí)行功能的程序到硬件部分，調(diào)試程序，測(cè)試汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控方法的基本功能，如低壓報(bào)警、高壓報(bào)警或高溫報(bào)警等，調(diào)試結(jié)果顯示，各個(gè)環(huán)節(jié)功能執(zhí)行正常，穩(wěn)定可靠，可進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

2.3 功耗測(cè)試及結(jié)果分析

圖4 LCD監(jiān)控顯示工作原理圖

圖5 ADS調(diào)試設(shè)置圖

測(cè)試安裝在汽車(chē)輪胎內(nèi)部的監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)在正常監(jiān)控過(guò)程中功耗情況，以此判斷監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)的使用壽命。使用基于嵌入式系統(tǒng)的汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控方法測(cè)試的同時(shí)，使用傳統(tǒng)的基于WSN的監(jiān)控方法，在相同的條件下，測(cè)試汽車(chē)側(cè)輪胎監(jiān)控子節(jié)在休眠狀態(tài)耗電和正常工作狀態(tài)下的狀態(tài)消耗電流和電量情況。

為了更好的對(duì)比兩種不同的汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控方法。測(cè)試在不同的情況下，消耗電流電量情況，定時(shí)喚醒裝置設(shè)置為4 s一次，第一次喚醒設(shè)置加速度值，隨后增加電壓、溫度和壓力，分別測(cè)試其消耗的電流電量。

不同狀態(tài)下測(cè)量結(jié)果如表2和表3所示。表2中顯示休眠狀態(tài)下，電流電量最大消耗值為1.7，不同狀態(tài)下測(cè)量結(jié)果分別為1.56、0.95、1.5和0.5；表3中顯示休眠狀態(tài)下，電流電量最大消耗值為0.9，不同狀態(tài)下消耗情況分別為0.81、0.77、0.93、0.3；對(duì)比觀察兩組數(shù)據(jù)，明顯能夠看出表3中結(jié)果低于表2中結(jié)果，假設(shè)一次監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)一次完整的工作需要時(shí)間為4 s，取各種狀態(tài)下所消耗電量的最大值，經(jīng)計(jì)算得出，使用傳統(tǒng)的監(jiān)控方法，監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)的使用壽命4.96年，使用設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法，監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)的使用壽命為8.23年，兩者相比，設(shè)計(jì)的基于嵌入式系統(tǒng)的汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控方法優(yōu)于傳統(tǒng)的監(jiān)控方法。

表2 傳統(tǒng)的監(jiān)控方法子節(jié)點(diǎn)電流及電量消耗情況

表3 設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法子節(jié)點(diǎn)電流及電量消耗情況

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)汽車(chē)安全問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，監(jiān)控汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)有助于保證汽車(chē)行駛安全及駕駛員人身安全。提出基于嵌入式系統(tǒng)的汽車(chē)輪胎氣壓強(qiáng)度信號(hào)監(jiān)控研究，通過(guò)設(shè)計(jì)的對(duì)比測(cè)試證明了設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的引用，解決了傳統(tǒng)的監(jiān)控方法中存在的監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)工作壽命短的問(wèn)題。