劉燦，王文煒，龍祖強(qiáng)，許岳兵

(湖南衡陽師范學(xué)院 物電系, 湖南衡陽，421008）

0 引言

輪胎是汽車的重要組成零部件，事關(guān)行車安全。安全專家指出：時(shí)速超過160km以上，爆胎而造成的死亡率幾乎接近100%。在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，每年有26萬起交通事故是由于輪胎壓力偏低、偏高或滲漏引起的，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生命危害[1]。但汽車爆胎問題已不是輪胎廠家單獨(dú)所能解決的。我國目前還沒有防止爆胎的相關(guān)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，但是中國企業(yè)正在研發(fā)比美國的汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)更為先進(jìn)、安全的系統(tǒng)，不僅能自動(dòng)監(jiān)測(cè)胎壓，而且還能對(duì)爆胎后實(shí)施安全救助。國內(nèi)目前中科院自動(dòng)化研究所和三角輪胎公司正在合作進(jìn)行，采用聲表面波技術(shù)研制開發(fā)汽車輪胎監(jiān)測(cè)技術(shù)這方面的研究工作。上海交通大學(xué)也在進(jìn)行TPMS(Tire Pressure monitoring System，汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng))的開發(fā)研究，他們推出的SAW傳感器能同時(shí)測(cè)量輪胎內(nèi)壓力、溫度和發(fā)射數(shù)據(jù)，不僅實(shí)現(xiàn)了智能輪胎信息的無源測(cè)量和無線傳輸，而且將擁有中國人自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

本文在對(duì)汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理和所涉及的關(guān)鍵技術(shù)做了深入地研究后，提出了SP30+TDK5100F―TDA5210+MCU的實(shí)現(xiàn)方案。此方案最大的優(yōu)點(diǎn)是低功耗、高集成，有極高的可靠性和方便的人機(jī)交互能力[2]。

1 汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

胎壓遙測(cè)模塊以MEMS壓力、溫度集成傳感器SP30為核心器件，實(shí)現(xiàn)輪胎壓力和溫度的檢測(cè)，以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，通過超高頻發(fā)射器將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。中央監(jiān)視器模塊由超高頻接收器和HT49R50A-1微控制器構(gòu)成，完成信號(hào)的接收、解調(diào)、處理、顯示和報(bào)警。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎氣壓，當(dāng)輪胎狀態(tài)異常時(shí)，立即發(fā)送輪胎狀態(tài)信息，中央監(jiān)視器模塊微控制器對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行接收確認(rèn)，隨后向駕駛員發(fā)出聲光警報(bào)并提示輪胎出現(xiàn)異常狀況，繼續(xù)行駛會(huì)使輪胎損害或產(chǎn)生危險(xiǎn)[3]。

2 輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路按系統(tǒng)功能劃分，可分為胎壓遙測(cè)模塊和中央監(jiān)視模塊兩大部分。其中，胎壓模塊整體安裝在輪胎內(nèi)，主要完成輪胎壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的初步處理以及信息的無線傳輸功能。中央監(jiān)視模塊安裝在汽車駕駛室內(nèi)，主要完成信息的無線接收、數(shù)據(jù)的分析處理、聲光報(bào)警控制等功能[4]。

2.1 胎壓遙測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

在不斷高速旋轉(zhuǎn)的輪胎內(nèi)部封閉工作環(huán)境中，要求輪胎模塊體積盡量小、重量盡量輕。為此，根據(jù)胎壓遙測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能，將其細(xì)分為胎壓數(shù)據(jù)采集、處理電路和發(fā)射電路兩部分。其中胎壓數(shù)據(jù)采集、處理核心單元是SP30傳感器，射頻發(fā)射芯片TDK5100F內(nèi)部自帶的功率放大器與其匹配的外圍器件一起構(gòu)成發(fā)射電硬件電路，原理框圖如圖2所示。

圖1 TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖2 胎壓遙測(cè)模塊硬件電路框圖

2.2 中央監(jiān)視器硬件電路設(shè)計(jì)

位于汽車駕駛室內(nèi)的中央監(jiān)視器模塊，主要完成信息的接收、數(shù)據(jù)的區(qū)分處理、聲光報(bào)警控制以及系統(tǒng)特征值設(shè)定等功能。因?yàn)橹醒氡O(jiān)視器的供電來自汽車內(nèi)部自供電，所以接收端可以不考慮功耗問題。中央監(jiān)視器模塊是設(shè)計(jì)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)的核心部分，由射頻接收電路、微處理器電路、LCD顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、聲光報(bào)警電路及人機(jī)交互功能的按鍵電路6部分組成[5]。中央監(jiān)視器硬件電路框圖如圖3所示。為了簡(jiǎn)化接收端的設(shè)計(jì)，將接收解調(diào)芯片輸出直接連接HT49R50A-1的外部中斷INT0輸入端。由圖3可以看出，TDA5210與單片機(jī)之間只要一條數(shù)據(jù)線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。從射頻電路設(shè)計(jì)的角度考慮，增強(qiáng)中央監(jiān)視器接收電路的前端電路性能是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。電路設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意天線和輸入電路的匹配，考慮LNA（Low Noise Amplifier，低噪聲放大器）的地線和電源濾波因素，盡量減少信號(hào)衰減。

圖3 中央監(jiān)視器硬件框圖

2.3 人機(jī)交互功能設(shè)計(jì)

人機(jī)交互，涉及到最終用戶使用的方便、簡(jiǎn)潔，關(guān)系到系統(tǒng)的推廣，甚至影響到系統(tǒng)的開發(fā)是否成功。在輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)中，首要的是中央監(jiān)視器模塊能向駕駛員提供必要的信息：輪胎壓力、輪胎溫度、輪胎模塊電源狀態(tài)等；在報(bào)警時(shí)，能同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，迅速提請(qǐng)駕駛員的注意；并且可以根據(jù)用戶的需求，可以設(shè)置胎壓報(bào)警門限，適應(yīng)不同車輛的需求。系統(tǒng)人機(jī)交互中包括3部分：聲光報(bào)警部分、LCD顯示部分和按鍵輸入設(shè)置部分[6]?，F(xiàn)就聲光報(bào)警部分做詳細(xì)說明。

本系統(tǒng)通過蜂鳴器、系統(tǒng)狀態(tài)LED燈來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警功能。報(bào)警電路框圖如圖4所示。

圖4 報(bào)警單元總體設(shè)計(jì)框圖

LED燈報(bào)警電路如圖5所示。LED燈報(bào)警電路中，綠色LED是系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示燈，紅色LED是輪胎狀態(tài)信息指示燈。當(dāng)輪胎氣壓、溫度達(dá)到預(yù)警門限時(shí)，紅色LED開始閃爍，直到駕乘人員按鍵清除報(bào)警狀態(tài)，起到對(duì)駕乘人員預(yù)警的作用。

圖5 LED燈報(bào)警電路

蜂鳴報(bào)警電路如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到輪胎的異常工作狀態(tài)時(shí)，中央監(jiān)視器的MCU同時(shí)向PA5、PA7端口發(fā)射控制指令，紅色LED閃爍、同時(shí)蜂鳴器開始蜂鳴發(fā)出報(bào)警信息，提醒駕駛員及時(shí)檢查輪胎故障原因[7]。

圖6 蜂鳴報(bào)警電路

3 汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)研究工作的重要組成部分。本系統(tǒng)的輪胎溫度和壓力數(shù)據(jù)的采集，人機(jī)交互，射頻信號(hào)的收發(fā)，數(shù)據(jù)分析、顯示和報(bào)警，都需要通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。因此開發(fā)性能優(yōu)良、工作穩(wěn)定的應(yīng)用軟件是整個(gè)系統(tǒng)能夠正常和可靠運(yùn)行的基本前提。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)就是為了在硬件電路基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用智能化，在汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，必須要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際情況和具體技術(shù)性能要求，才能設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)場(chǎng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)[8]。本系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)包括胎壓遙測(cè)模塊的軟件設(shè)計(jì)和中央監(jiān)視器模塊的軟件設(shè)計(jì)，其功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件框圖

圖7中，中央監(jiān)視器和胎壓遙測(cè)模塊的初始化軟件主要完成系統(tǒng)硬件的初始化以及系統(tǒng)的一些初始信息的提取。數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過控制傳感器芯片SP30傳感器完成對(duì)輪胎氣壓和溫度的檢測(cè)，獲取溫度壓力信息。無線發(fā)射模塊與無線接收模塊一起，完成數(shù)據(jù)的無線通訊功能，將信號(hào)由輪胎模塊傳送到接收器模塊。接收信號(hào)處理軟件完成接收信號(hào)的處理，判斷應(yīng)該報(bào)警還是實(shí)時(shí)循環(huán)顯示輪胎的溫度、壓力。數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警軟件要求在輪胎正常情況下，進(jìn)行壓力和溫度循環(huán)顯示，在異常情況下，采用語音和燈光兩種形式向駕駛員進(jìn)行警報(bào)。按鍵設(shè)置軟件模塊完成用戶設(shè)置監(jiān)視系統(tǒng)的功能，滿足各種用戶的需要。各個(gè)功能模塊分別在輪胎模塊和接收器模塊的主控程序統(tǒng)一協(xié)調(diào)下發(fā)揮自己的作用，確保汽車輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體功能得到實(shí)現(xiàn)。

4 汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案的測(cè)試

測(cè)試目的：無障礙通信測(cè)試

測(cè)試環(huán)境：中央監(jiān)視器放置在汽車駕駛室內(nèi)，車載12V電源供電；胎壓遙測(cè)模塊安裝在輪胎內(nèi)，對(duì)輪胎充氣到3Bar；在駕駛室外，用場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)定發(fā)射功率，記錄功率值；在駕駛室內(nèi)，用場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)量接收靈敏度，記錄功率值。

測(cè)試步驟：編寫測(cè)試測(cè)序，胎壓遙測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到氣壓大于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，間隔10s采集發(fā)射數(shù)據(jù)，中央監(jiān)視器接收到信號(hào)，立即顯示并進(jìn)行蜂鳴報(bào)警。

測(cè)試結(jié)果：氣壓在2.5Bar時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 功率實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表1可得如下兩點(diǎn)結(jié)論：1）汽車輪胎、駕駛室殼體對(duì)發(fā)射器功率衰減均為10dB；2)系統(tǒng)可以正常進(jìn)行通信，中央監(jiān)視器接收靈敏度<-73dBm。

上述兩點(diǎn)結(jié)論說明本文所采用SP30+TDK5100F― TDA5210+MCU實(shí)現(xiàn)汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案切實(shí)可行。另外，由于本系統(tǒng)采用了SP30芯片，所以可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高集成，有極高的可靠性。

5 結(jié)論

本文采用SP30+TDK5100F―TDA5210+MCU實(shí)現(xiàn)汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了胎壓遙測(cè)模塊、中央監(jiān)視器模塊和人機(jī)交互功能模塊的硬件電路，給出了系統(tǒng)的軟件框圖并進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試，測(cè)試證明該方案切實(shí)可行，具有極大的開發(fā)前景。

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