自動化測試計算機測量與控制.2011.19(2ComputerMeasurement&Control?283?收稿日期:2010208204;修回日期:2010209215。作者簡介:林超(19842,男,四川省筠連縣人,碩士研究生,主要從事現(xiàn)代信號與信息處理方向的研究。雷勇(19532,男,教授,主要從事航空發(fā)動機試驗測試技術(shù),計算機輔助試驗技術(shù)方向的研究。文章編號:167124598(20110220283203中圖分類號:U463文獻標(biāo)識碼:B基于ARM及無線傳感器的轎車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計林超,雷勇(西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院,陜西西安710072摘要:介紹了輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計方法,闡述了基于英飛凌SP30傳感器和TDK5100F塊設(shè)計方案和基于EasyARM1138和TDA5210,聲、光報警,直至輪胎壓力和溫度恢復(fù)正常,,,重要意義。關(guān)鍵詞:EasyARM1138;無線傳感器;低頻喚醒;SystemandWirelessSensorLinChao,LeiYong(ShoolofPower&EnergyofNorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,ChinaAbstract:ThispaperintroducedthehardwareconstitutionandsoftwaredesignmethodofTirePressureMonitoringSystem,describedthedesignprojectsoftheremotemonitoringmodulebasedonInfineonSP30sensorandTDK5100FRFtransmitterandreceivermodulebasedonEsayARM1138developmentboardandTDA5210RFreceiver.Thesystemcanissueappropriatesoundorlightalarmagainstdifferentanomaliesuntilthetirepressureandtemperaturereturntonormal.Thedataprocessingalgorithmwasoptimizedastoreducethesystempowerdissipationandincreasetheservicelife,whichhadimportantsignificancetothepopularityofthemonitoringsystemandperformanceoptimization.Keywords:EasyARM1138;wirelesssensor;LFwake-up;TPMS0引言自汽車誕生以來,很多重大交通事故是由汽車爆胎造成的。尤其在汽車的高速行駛過程中,輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的,也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。目前我國在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%~80%是由于輪胎問題引起的,其中將近50%為爆胎事故[1]。防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。TPMS(TirePressureMonitoringSystem主要用于在汽車行駛時對輪胎氣壓進行實時監(jiān)測。TPMS可以分為直接式和間接式。間接式通過ABS的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別,以實現(xiàn)胎壓監(jiān)視;而直接式利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器直接測量胎壓[2]。本文基于周立功公司的EasyARM1138開發(fā)板為核心控制器件,英飛凌公司的SP30智能傳感器和射頻收發(fā)芯片TDK5110F/TDA5100以及優(yōu)化解決方案的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套直接式汽車胎壓監(jiān)測報警系統(tǒng),對高速行駛汽車的胎壓進行連續(xù)監(jiān)測及異常預(yù)報,根據(jù)不同的異常情況發(fā)出相應(yīng)的聲、光報警,直至輪胎壓力和溫度恢復(fù)正常,為安全行車管理提供可靠依據(jù)。1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本TPMS系統(tǒng)由胎壓監(jiān)測模塊和中央監(jiān)視控制模塊兩個主要部分組成。其中胎壓監(jiān)測模塊安裝在汽車輪胎內(nèi),該模塊帶有傳感器和無線發(fā)射裝置,主要用來監(jiān)測輪胎內(nèi)的氣壓和溫度并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過發(fā)射裝置發(fā)送給中央監(jiān)視控制模塊;中央監(jiān)視控制模塊安裝在駕駛室操作盤附近,帶有無線接收裝置和控制監(jiān)視模塊,無線接收裝置接收到胎壓監(jiān)測模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù),通過EasyARM1138平臺處理并顯示,顯示方式如LED、LCD或語音提示等都可依實際要求來設(shè)計。此外,由于EasyARM1138開發(fā)板帶有3路全雙工,位速率高達31125Mbps的UART接口[3],還可通過CAN-bus等接口芯片與車內(nèi)CAN總線連接,將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過車內(nèi)儀表顯示,使其更具美觀性。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。2汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計主要分為胎壓監(jiān)測模塊和中央監(jiān)視控制模塊兩大部分。211胎壓監(jiān)測模塊硬件設(shè)計胎壓監(jiān)測模塊硬件部分主要由傳感器、RF發(fā)射器和天線三部分組成。其中傳感器采用的是英飛凌TPMS壓力傳感器SP30系列,內(nèi)置8位哈佛結(jié)構(gòu)的RISCMCU和LF接口[4]。LF接口通過低頻天線,接收來自控制端的控制信號,MCU用于對傳感數(shù)據(jù)進行信號調(diào)節(jié),以及生成將通過外部射頻發(fā)射器發(fā)送的數(shù)據(jù)協(xié)議。射頻發(fā)射芯片采用英飛凌公司的TDK5100F發(fā)射器,可進行ASK和FSK兩種調(diào)制,工作在433~435MHz頻段,無需特別申請,世界通用,符合國家相關(guān)法定要求,不會對其他射頻及無線系統(tǒng)造成影響。最大發(fā)射功率10dBm,工作電壓為211~4V,功耗低,發(fā)射時電流為1412mA,工作溫度在?284?計算機測量與控制第19卷圖1系統(tǒng)工作原理圖125時,待機狀態(tài)電流僅為600nA[5]。本系統(tǒng)發(fā)射模塊使用FSK調(diào)制來減少錯誤發(fā)生的概率,從而提高系統(tǒng)的健壯性。TDK5100F通過SPI與SP30相連,SP30控制射頻發(fā)射芯片工作在不同的模式下。TDK5100F的主要用途是將SP30發(fā)來的數(shù)據(jù)以無線通信的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送出去,如圖2所示。圖2胎壓監(jiān)測模塊硬件設(shè)計圖212中央監(jiān)視控制模塊硬件設(shè)計此模塊采用EasyARM1138為核心控制模塊,此開發(fā)板基于ARMCortex-M3先進內(nèi)核,開發(fā)板外圍電路設(shè)計簡明,自帶5只LED指示燈和1只交流蜂鳴器,可作為胎壓異常時系統(tǒng)聲光報警使用。低頻信號發(fā)送電路采用大功率CMOS驅(qū)動芯片驅(qū)動串行諧振電路,發(fā)送低頻信號。無線接收部分由高集成RF接收器TDA5120及其天線組成;TDA5120具有接收并解調(diào)ASK和FSK調(diào)制的曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)的功能,同時通過其SPI總線接口可與EasyARM1138主控制板進行數(shù)據(jù)交換[6];本模塊采用FSK調(diào)制,其靈敏度可以達到-100dBm。人機界面的電路采用成熟的模塊LCD12864,128364位的點陣圖形液晶顯示器作為輸出界面,實時顯示車輪的胎壓數(shù)據(jù)。此模塊如圖3所示。3汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計針對汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計,其軟件設(shè)計分為胎圖3,因此需要有良好[7]。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是相當(dāng)耗電的,因,并讓元器件最大程度處于低功耗的休眠狀態(tài)。并通過中央監(jiān)視控制模塊的低頻部分對胎壓監(jiān)測模塊的工作狀態(tài)進行控制。311胎壓監(jiān)測模塊軟件設(shè)計模塊上電后,首先傳感器內(nèi)部的控制器對自身及射頻發(fā)射器TDK5100F進行初始化。為了降低能耗,延長電池的使用壽命,控制器在沒有數(shù)據(jù)需要處理和傳輸?shù)那闆r下,將自身配置成睡眠模式,并將發(fā)射器配置在434MHz,FSK模式下工作,工作模式為PowerDown模式。當(dāng)接收到低頻喚醒信號時,無線傳感器進入運行狀態(tài),開始測量溫度壓力,溫度,加速度的值。采集完畢后,分別求出三物理量的平均值,然后啟動射頻發(fā)射模塊,將數(shù)據(jù)以曼徹斯特編碼方式發(fā)送出去。發(fā)射完畢后,傳感器再次進入睡眠模式,等待下一個低頻喚醒信號的到來。程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖4所示。圖4胎壓監(jiān)測模塊程序流程圖312中央監(jiān)視控制模塊軟件設(shè)計中央接收模塊軟件功能是完成數(shù)據(jù)的接收、處理、判別、顯示和報警,其流程如圖5所示。汽車啟動后,EasyARM1138通過SPI口對射頻接收器TDA5120進行初始化,將其配置在434MHz,FSK模式下工作,等待接收數(shù)據(jù)。第2期林超,等:基于ARM及無線傳感器的轎車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計?285?EasyARM1138控制低頻電路工作,按時間間隔掃描式輪流向4個輪胎模塊發(fā)送頻率為125kHz的LF低頻信號,輪流將各輪胎模塊激活并開啟射頻接收中斷,等待接收各模塊發(fā)送回來的實時胎壓溫度數(shù)據(jù)。若沒接收到數(shù)據(jù)幀,則重新發(fā)送低頻信號喚醒相應(yīng)的輪胎模塊,直到收到數(shù)據(jù)幀為止。TDA5120在接收到從胎壓監(jiān)測模塊發(fā)送來的壓力、溫度數(shù)據(jù)后,由SPI口傳送給EasyARM1138,在接收數(shù)據(jù)的同時還要對該數(shù)據(jù)進行校驗和算法處理,并對數(shù)據(jù)進行判斷,最后將處理后的結(jié)果通過LCD實時顯示。若當(dāng)前輪胎內(nèi)部壓力、溫度超出了預(yù)先預(yù)定的范圍,則立即啟動聲光報警,通過LED、蜂鳴器提示駕駛員當(dāng)前存在異常,同時LCD將發(fā)生異常的輪胎號、胎壓信息顯示出來。經(jīng)過時間間隔s后,重復(fù)進行下一輪喚醒操作。由于根據(jù)加速度數(shù)據(jù)可推算出車速,中央監(jiān)視控制模塊將根據(jù)車速調(diào)節(jié)低頻信號的發(fā)射周期。當(dāng)車速低于25km/h時,低頻喚醒信號的發(fā)射間隔s設(shè)為30min,使無線傳感器進入“靜默”狀態(tài);當(dāng)車速高于25km/h時,低頻喚醒信號的發(fā)射間隔設(shè)為60s,使無線傳感器進入“行駛”狀態(tài),通過此方法可以使輪胎監(jiān)視部分的功耗大幅度降低。313通信協(xié)議設(shè)計為了實現(xiàn)4個輪胎模塊和中央主機接收模塊進行無線通信,必須制定一個通信協(xié)議。射頻信號部分采用曼徹斯特編碼、FSK信號調(diào)制方式,把采集時間段采集到的溫度、壓力值分別求平均值Tm,Pm,并把Tm,Pm進行編碼為數(shù)據(jù)幀,以便于發(fā)射。數(shù)據(jù)幀格式如下:bit0-bit7前導(dǎo)位bit8-bit23校核位bit24-bit31狀態(tài)位bit32-bit39加速度值bit40-bit47溫度值bit48-bit55bit56-bit64設(shè)備標(biāo)志(1前導(dǎo)位:前導(dǎo)位為8位,并且總是置成0x7F,分離噪聲。(2設(shè)備標(biāo)識(ID:設(shè)備標(biāo)識為SP30提供的序號。接收數(shù)據(jù)時,首先檢查ID,如果發(fā)現(xiàn)ID不符,就放棄收到的數(shù)據(jù)幀。(3壓力值:壓力數(shù)據(jù)8位,代表被測輪胎的壓力值。(4溫度值:溫度數(shù)據(jù)8位,代表被測輪胎的溫度值。(5加速度值:加速度數(shù)據(jù)8位,代表被測輪胎的加速度值。(6狀態(tài)位:狀態(tài)位為8位,第74位分別為左前輪、右前輪、、右后輪(校核位:,EasyARM1138和無線傳感器的直接式汽車胎壓監(jiān)測報警系統(tǒng),給出了總體方案、詳細的硬件設(shè)計、軟件控制策略和通信協(xié)議。該系統(tǒng)成本低廉,可測量的溫度為-40℃~+125℃,壓力為100kPa~450kPa(1bar~415bar,壓力測量精度±7kPa(±0.175bar,同時通過軟件優(yōu)化減小系統(tǒng)功耗,延長系統(tǒng)使用壽命,對TPMS產(chǎn)品的普及和功能優(yōu)化有重要意義。參考文獻:[1]李炎亮.汽車電子技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.[2]閆利文,俞濤,潘毅,王建平,易風(fēng).胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].微計算機信息,2006,721(22:1122114.[3]LuminaryMicro,LM3S1138Datasheet[Z].2007.[4]Infineon,TirePressureMonitoringSensorSP30DatasheetRev.4[Z].2007.[5]Infineon,TDK5110FTransmitte