劉亮 孟德強

摘 要：準確實時地監(jiān)測車輛行駛過程中輪胎狀態(tài)對行車安全至關(guān)重要。目前的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)大多價格較高，研發(fā)較困難，且對于某些特定車輛的需要，如沙地方程式賽車等需頻繁換胎的車輛不具有通用性，傳感器匹配程序繁瑣，使用極為不便。因此設(shè)計了基于STM32單片機的車輛胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，能夠準確監(jiān)測輪胎狀態(tài)信息，具有很好的可靠性，且能夠快速完成傳感器與輪胎的匹配，可以更好地滿足越野車、沙地方程式等車輛頻繁換胎的需求，有很強的通用性。

關(guān)鍵詞：STM32單片機;胎壓監(jiān)測;位置匹配;CAN通訊

中圖分類號：TP23? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-35-04

Design Of Vehicle Tire Pressure Monitoring System Based On Stm32 Scm

Liu Liang， Meng Deqiang

（ School of Automobile， Chang'an university， Shaanxi Xi'an 710064 ）

Abstract： It is very important for driving safety to monitor the status of tires accurately and in real time. Most of the current tire pressure monitoring systems are expensive and difficult to develop， and for the needs of some specific vehicles， such as the formula car and other vehicles that need frequent tire changes are not universal， the sensor matching process is cumbersome， it is very inconvenient to use. Therefore， the vehicle tire pressure monitoring system based on STM32 MCU is designed， which can accurately monitor the tire status information and has a good reliability. Moreover， it can quickly complete the matching between the sensor and the tire， which can better meet the needs of frequent tire change of off-road vehicles， sand equation and other vehicles， and has a strong universality.

Keywords： STM32 MCU; tire pressure monitoring; Position matching; CAN communicatio

CLC NO.： TP23? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-35-04

引言

作為車輛的基礎(chǔ)部件，輪胎是影響行車安全不可忽視的因素之一。據(jù)統(tǒng)計，中國每年由胎壓問題引起輪胎爆炸的交通事故約占30%，其中50%的高速交通事故是由車輛胎壓異常引起[1]。因此，準確實時地監(jiān)測車輛在行駛過程中的輪胎狀態(tài)，保證行車安全是一項很有意義的工作。

我國在2017年10月發(fā)布的GB 261492017《乘用車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的性能要求和試驗方法》[2]強制要求新車型在2019年1月1日起配備胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（Tyre Pressure Monitor -ing System，簡稱TPMS）。而目前上市的TPMS基本是集信號采集及無線通訊功能為一體的MCU，特點是集成度高[3]，價格貴，研發(fā)困難，且對于某些特定車輛的需要，如沙地方程式賽車等需要頻繁換胎的車輛不具有通用性，匹配程序繁瑣，使用極為不便。

為此本文設(shè)計開發(fā)了一款基于STM32單片機的車輛胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，采用直接測量方式，能夠滿足頻繁換胎的需要，匹配方便。此外系統(tǒng)還能將數(shù)據(jù)信號以CAN形式輸出，可供用戶二次調(diào)用，通用性強。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

TPMS系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，包括傳感器監(jiān)測模塊和接收顯示模塊兩部分。其中，傳感器檢測模塊集成了壓力溫度傳感器、電量檢測模塊、RF模塊及鋰電池，接收顯示模塊由RF模塊、STM32主控、CAN模塊、液晶顯示、按鍵設(shè)置及供電電路組成。

供電后，傳感器監(jiān)測模塊中內(nèi)設(shè)的壓力溫度傳感器對輪胎數(shù)據(jù)信息進行采集，并通過RF模塊以無線射頻的方式傳送給STM32主控，在液晶屏上顯示四個輪胎當(dāng)前狀態(tài)，并對外發(fā)出CAN，用戶可通過外設(shè)的液晶顯示和按鍵實現(xiàn)傳感器與輪胎的匹配。若胎壓數(shù)據(jù)有異常，系統(tǒng)會對外發(fā)出報警信號，以此保證行車安全。

2 硬件部分設(shè)計

TPMS系統(tǒng)的硬件部分主要由集成其內(nèi)部的傳感器模塊、RF模塊、STM32主控、CAN模塊及外設(shè)模塊組成。其中，傳感器模塊負責(zé)胎溫胎壓的數(shù)據(jù)采集及電量檢測，RF模塊負責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)，STM32主控負責(zé)數(shù)據(jù)信號的處理轉(zhuǎn)換，CAN模塊負責(zé)將信號以CAN形式發(fā)出，外設(shè)模塊由液晶屏和按鍵組成，負責(zé)數(shù)據(jù)顯示及輪胎匹配。

2.1 傳感器模塊

本系統(tǒng)所采用的傳感器模塊是選用英飛凌公司的SP400系列傳感器，采用氣門嘴方式安裝在輪輞上氣門嘴閥桿處，如圖2所示。該傳感器芯片具有體積小、功耗低、使用壽命長及集成度高等優(yōu)點[4]。且集硅顯微機械加工的壓力與加速度傳感器、溫度傳感器及電池電壓檢測傳感器于一體，內(nèi)置了8位哈佛結(jié)構(gòu)的RISC MCU[5]。該芯片采用13位的采樣AD轉(zhuǎn)換器，通過靜態(tài)電流為245nA[5]，可實現(xiàn)較高的采樣精度和更低的能耗。傳感器直接接觸輪內(nèi)氣壓，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，利用信號調(diào)理電路進行信號的放大、補償?shù)葦?shù)字化調(diào)理。

2.2 RF模塊

TPMS系統(tǒng)中的RF模塊內(nèi)置數(shù)據(jù)模塊、2D通道的低頻接口芯片及其相應(yīng)的信號調(diào)理電路。接口芯片是由低頻天線及相應(yīng)接口構(gòu)成，數(shù)據(jù)模塊的信號中心頻率為315MHz，由于RF模塊采用聲表諧振器SAW方式進行穩(wěn)頻[6]，頻率穩(wěn)定度高。接口芯片感應(yīng)低頻觸發(fā)器傳來的125kHz低頻信號， 由數(shù)據(jù)模塊分析指令信號內(nèi)容，再交給信號調(diào)理電路執(zhí)行相應(yīng)操作，在無異常情況下，傳感器監(jiān)測模塊中的RF模塊會在規(guī)定的頻率內(nèi)通過天線發(fā)射數(shù)據(jù)信號給接收顯示模塊，若輪胎數(shù)據(jù)有異常，RF模塊會提高發(fā)射頻率，及時報警。

2.3 STM32主控模塊

本系統(tǒng)的主控模塊采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F系列芯片[7]，選用的具體型號為STM32F103C8T6。其優(yōu)點是處理速度快，自帶固件庫，可加速開發(fā)進程。同時，該芯片具有定時器，SPI，I2C，USB，UART等多種功能，滿足本系統(tǒng)開發(fā)功能的需求[8]。STM32主控的外圍電路如圖3所示。

數(shù)據(jù)接收模塊的RF模塊收到數(shù)據(jù)信號后傳輸?shù)組CU的USART模塊，基于本系統(tǒng)特定的通信協(xié)議，MCU對接收的數(shù)據(jù)進行處理，判斷是否為對應(yīng)輪胎的胎壓數(shù)據(jù)。若是，則將各輪胎的傳感器ID、胎壓溫度等信息傳給液晶屏顯示，并調(diào)用CAN模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并輸出。此外，MCU可對異常數(shù)據(jù)進行判斷，當(dāng)輪胎處于異常狀態(tài)（胎壓過高或過低、快速漏氣、胎溫過高等）時及時報警。

2.4 CAN模塊

本設(shè)計采用PHILIP公司的TJA1050T CAN總線驅(qū)動器，功耗低且集成度高，原理圖如圖4所示。該模塊的CAN信號接收引腳RX和發(fā)送引腳TX經(jīng)由高速光耦6N137連接到TJA1050T的RXD和TXD端[9]，以實現(xiàn)CAN總線節(jié)點的電氣隔離。為防止過流沖擊，TJA1050T的CANL引腳通過一個120Ω的電阻連接到總線上。為了方便用戶擴展，本系統(tǒng)設(shè)置了CAN1、CAN2兩路輸出。

3 軟件部分設(shè)計

軟件部分設(shè)計了傳感器監(jiān)測、接收顯示兩部分控制策略，并對它們的通信協(xié)議進行了規(guī)定。

3.1 通信協(xié)議

兩個模塊之間的通信協(xié)議是無線數(shù)據(jù)幀，是從傳感器發(fā)送端到數(shù)據(jù)接收端的單向輸出數(shù)據(jù)信號，并支持USART RS232協(xié)議，每幀數(shù)據(jù)為10字節(jié)：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，波特率設(shè)置為9600bps，數(shù)據(jù)具體說明如表1所示。

3.2 傳感器監(jiān)測模塊軟件策略

該部分的軟件控制過程主要有系統(tǒng)初始化、外部定時中斷、數(shù)據(jù)信號采集、數(shù)據(jù)分析處理、異常數(shù)據(jù)處理、報警模式。圖5為軟件控制流程圖。

上電后，系統(tǒng)進行初始化，傳感器進入省電睡眠模式，當(dāng)有外部中斷進來時，傳感器進入正常工作模式，對胎溫、胎壓、電池電壓等信號進行定頻率采集并進行分析處理。為了減小數(shù)據(jù)采集中的偶然誤差，采用中值濾波算法的數(shù)字濾波技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)與控制范圍比較，若檢測數(shù)據(jù)無異常，則傳感器按規(guī)定頻率發(fā)送給接收顯示模塊，一旦出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，系統(tǒng)立即報警，之后傳感器進入睡眠模式，等待下一次外部中斷喚醒。

3.3 接收顯示模塊軟件策略

接收顯示模塊主要完成傳感器與輪胎的位置匹配、數(shù)據(jù)可視化及CAN通信，圖6為具體控制流程圖。位置匹配的具體過程是接收顯示模塊利用低頻觸發(fā)器發(fā)出的低頻信號喚醒傳感器，接收對應(yīng)輪胎的數(shù)據(jù)信息，通過進一步數(shù)據(jù)處理，完成傳感器與輪胎位置匹配和數(shù)據(jù)發(fā)送。CAN通信是指將數(shù)據(jù)信號以CAN形式輸出、外部設(shè)備及發(fā)送異常數(shù)據(jù)。

CAN模塊對外周期性發(fā)出的CAN數(shù)據(jù)符合CAN2.0，各節(jié)點采用ISO11898通信協(xié)議，通信數(shù)據(jù)幀的格式定義如表2所示。CAN標識符可根據(jù)用戶需求進行更改，總線傳送波特率為500kb/s，長度2字節(jié)。

4 系統(tǒng)整體測試

對系統(tǒng)進行實驗室測試，將總線分析儀Vector CANaly -zer接入包含測TPMS系統(tǒng)節(jié)點的CAN通信網(wǎng)絡(luò)臺架，將監(jiān)測數(shù)據(jù)接入計算機進行存儲分析。實驗室環(huán)境溫度為22～28℃，將兩個前后輪的充氣壓力分別設(shè)置為2.1、2.3bar。模擬臺架的車輛行駛速度在60Km/h至120Km/h的范圍，連續(xù)測試200個小時，檢測CAN接收端的錯誤幀數(shù)目，并實時記錄各輪胎的壓力溫度變化。

匯總一段時間內(nèi)的CAN通信中總線分析儀接收到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表3所示，系統(tǒng)能夠周期性地以規(guī)定頻率準確發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀，且無錯誤幀，接受可靠率達99.1%。

觀測記錄的各位置輪胎在特定時間內(nèi)氣壓溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：汽車剛開始行駛時，輪胎溫度和壓力有較為明顯的升高，但隨著時間推移，數(shù)據(jù)變化漸漸平緩，可靠地反映了胎內(nèi)信息。數(shù)據(jù)分析得到系統(tǒng)測量精度±0.06bar，溫度測量精度±1.8攝氏度，數(shù)據(jù)接收準確率達98%以上。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于STM32單片機的胎壓監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準確監(jiān)測輪胎氣壓、溫度，具有很好的可靠性，且系統(tǒng)能夠快速完成傳感器與輪胎的匹配，可以更好地滿足越野車、沙地方程式等車輛頻繁換胎的需求。此外還支持CAN數(shù)據(jù)輸出，方便用戶二次調(diào)用，通用性強。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)初步用于國內(nèi)某公司的沙地方程式賽車上。本系統(tǒng)可以應(yīng)用于智能交通解決方案，保證車輛行車安全。

參考文獻

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