随着汽车消费市场的日益升温,汽车的安全性能更加被消费者所关注。在汽车高速行驶过程中,轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的,也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计,在中国高速公路上发生的交通事故有70% 是由于爆胎引起的,而在美国这一比例更高达80%。基于此,美国运输部 (DOT)国家公路交通安全管理委员会 (NHTSA) 出台了法规。该法规规定:2003年11月到2006年10月31日期间美国新出厂的轻型汽车将逐步引入轮胎压力监测系统(Tyre Pressure Monitoring System,TPMS)。鉴于如此大的市场潜力,国内外许多公司纷纷开始投入TPMS的研制。
1 TPMS硬件系统构成
轮胎压力监测系统分为直接系统和间接系统。间接系统是通过ABS确定轮胎压力变化的系统。ABS通过车速传感器确定轮胎故障,从而决定是否启动防抱死系统。目前这类系统的准确率没有直接系统高,故障轮胎的确定也很困难,而且系统校准极其复杂。此外,在某些情况下此类系统会无法正常工作,例如同一车轴的两个轮胎气压都低时。直接系统一般由轮胎监测模块和主机接收显示模块构成。通过在每一个轮胎上都安装一个轮胎监测模块,来实时监测汽车行驶状态下各个轮胎的状况,从而使安装在驾驶台的主机接收显示模块能实时显示各轮胎气压、温度等。在轮胎出现漏气、低气压及高温等异常情况时,系统会自动报警。这样驾驶者可以直观地了解各个轮胎状况,以保障行车安全。
1.1 轮胎监测模块
轮胎监测模块嵌入到轮胎里面,主要用来监测轮胎内部气压和温度状况,并通过无线调制方式发送到主机显示模块,故轮胎监测模块主要应包含传感器、微控制器、UHF发射器以及供电电池。整个模块放置在轮胎里面,在汽车高速行驶时且轮胎内部产生高温情况下要能正常运行,并且能保证有效工作5～10年,故而模块的小型化、宽工作温度范围以及低功耗设计就显得尤为重要。
1.1.1 NPX-C10746简介
NPX-C10746是GE Nova Sensor公司最新推出的轮胎压力监测系统专用芯片,它是由一块带有大量外围器件的Philip 8bit RISC内核组成的高集成度芯片。片内集成有压力传感器、温度传感器、电压传感器、低噪声放大器和12位A/D转换器;内置的RC振荡器提供系统时钟,无需外接晶体振荡器;SOIC 14L封装,工作温度达汽车工业级(-40～+125℃)。
1.1.2 监测模块硬件构成
轮胎监测模块硬件结构图如图1所示。UHF发射芯片采用Atmel公司的ATA5757,该芯片集成度高、低功耗模式下电流<1μA、MSOP-10封装(3mm×5mm),能很好满足监测模块低功耗、小型化设计要求;工作电压范围为2V～3.6V,当监测模块使用单块扣式电池供电时,可不加电源管理芯片,从而进一步降低系统功耗,延长工作时间。监测模块采用Tadiran公司的TLH-2450长效锂亚硫酰氯扣式电池供电,该电池额定工作温度在-40℃～+125℃之间,并具有外形尺寸小、能量密度大、自放电极低的特点。此外,供电电池串联一个加速度开关(即图1中的开关),用于控制监测模块电源。当车轮转速超过2圈/秒时,加速度开关导通,监测模块开始工作。
1.2 主机接收显示模块
主机接收显示模块安装在汽车驾驶台,通过改变指示灯颜色和数码显示告知驾驶员车辆各轮胎当前的压力、温度及供电电压状况是否异常等。
主机接收显示模块硬件结构图如图2所示,由接收天线、UHF接收器MC33594、微控制器P89LPC930等器件组成。
MC33594器件是摩托罗拉公司生产的高度集成的UHF接收器,它能够接收并解调OOK或FSK调制的Manchester编码数据,同时通过一条串行外围接口(SPI)总线将其发送出去。通信中采用FSK调制方式时,MC33594支持数据管理器,可以去掉数据帧中的同步码、前导码和结束符(EOM)等字节,这样控制它的软件就可以大大简化。 P89LPC930是Philip公司的一款微控制器,适合于许多要求高集成度和低成本的场合,可以满足多方面的性能要求。P89LPC930采用高性能的处理器结构,指令执行速度六倍于标准80C51器件,且带有SPI总线接口,可方便地与MC33594进行通信。
2 TPMS系统软件设计
TPMS的软件比较简单,轮胎监测模块主要对气压、温度及电源电压数据进行测量、处理和传输。主机显示模块接收到数据帧并经校验后显示气压、温度和电压值,并且与报警阈值进行比较以判断是否需要报警。整个系统对低功耗设计要求非常高,所以应尽可能合理安排程序流程,优化软件算法。
2.1 轮胎监测模块程序设计
轮胎监测模块的主程序在执行完初始化功能后便根据当前气压值与报警阈值的差值设置定时中断时间,然后进入低功耗模式。模块供电电压、轮胎气压和温度的监测与数据的传输都放置在中断程序,中断结束立即进入低功耗模式。NPX-C10746内置中断定时时间大约为0.5秒～4秒,轮胎气压和温度正常时,可取3秒定时中断一次,调用NPX的轮胎气压和温度检测与补偿、CRC-16校验计算执行库后,通过无线方式发送给主机显示模块。在气压及温度接近或低于报警阈值时,缩短定时中断时间,增加数据采样及发送频率。因为监测模块供电电压下降相对比较缓慢,这里采用软件计数定时中断来延长其检测周期,取20次中断(60秒)采样一次。定时中断程序流程如图3所示。
2.2 主机显示模块程序设计
主机上电后,P89LPC930初始化,配置完MC33594后,模块进入等待SPI数据工作状态。在接收到一个数据帧并经CRC校验(采用查表法实现,减小MCU占用时间)和轮胎ID判断无误后,送数码显示并点亮相应的指示灯以表示各模块工作正常。当轮胎监测模块供电电压、气压及温度接近或低于报警阈值时,主机启动LED闪烁警告或蜂鸣器报警。程序流程图如图4所示。
2.3 通讯及协议
2.3.1 数据帧格式
轮胎监测模块与主机接收显示模块之间的无线通讯采用固定的数据帧长度进行,具体数据帧格式如表1所示。
同步码的长度为16bit,设置成0xFB86。具体意义如下: ·0xF(1111):MC33594至少需要4bit的同步码来唤醒它,并让它的内部电路稳定。
·0xB8(1100 1000):MC33594的寄存器2被编程为0xB8,这样使前同步码中的0xB8数据被验证并接通数据管理器。
·0x6(0110):MC33594中报头被使能,指示有实际意义的数据输出(从轮胎ID开始)。
MC33594接收到的同步码不会被发送到SPI总线,所以P89LPC930收到的数据帧从轮胎ID编号开始共8个字节。
轮胎ID编号长度为32bit,它可用于表示轮胎监测模块所属TPMS系统的标志,并表明其被安装在哪个方位的轮胎,从而方便主机显示模块辨识。P89LPC930接收到数据帧后,会对轮胎ID编号进行检测,如果ID不匹配,数据帧就会被忽略。
气压、温度和电压各占一个字节,代表当前测得的数值。
CRC校验码通过监测模块调用NPX的CRC-16校验计算执行库生成,放置在数据帧帧尾。主机接收显示模块CRC校验正确后才进行相应处理,否则忽略该数据帧。
2.3.2 通信设置
系统的无线通信载波频率选用433.92MHz,发射速率取9600 bps,采用FSK调制方式。发射前先对数据帧进行曼彻斯特编码。曼彻斯特编码(如图5所示)就是用两个bit之间的电平变化来表示数字信号0或1。由高电平变为低电平表示数字0,反之则表示数字1。通过曼彻斯特编码可以减小发射信号的直流分量,降低误码率,提高通信距离。
基于NPX系列传感器的轮胎压力监测系统集成度较高,稳定性好,能够同时监测轮胎气压、温度及监测模块供电电压三个关键参数,当轮胎出现漏气、温度升高等异常情况时,系统都会自动报警,从而确保行车安全,延长轮胎的使用寿命,降低燃油的消耗。此外,主机接收显示模块还可以通过扩展液晶显示、语音报警及提供与汽车控制系统接口等来适应不同用户需要。该系统已成功应用在国内某一型号的TPMS产品中,且运行状况良好。