基于SP12的汽車輪胎狀態監測系統設計

引言

　　據美國汽車工程師學會統計,美國每年有26萬起交通事故是由于輪胎氣壓偏低或滲漏造成的。而在中國高速公路的交通事故中,則有70％是因爆胎而引起。因此,防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題,而確保標準胎壓則是防止爆胎的關鍵。目前的汽車壓力檢測系統主要包括直接式和間接式。直接式系統通過安裝在輪胎內部的傳感器直接檢測胎內壓力和溫度狀態;間接式則是通過安裝在轉軸上的傳感器檢測輪胎轉動慣性進而推算出胎內的壓力的。由于直接式檢測不受溫度影響,因而比間接式系統檢測更準確,是目前的主流。直接式系統的核心是安裝在輪胎內部的傳感器模塊,它在電池供電下可以工作3～5年,因此要求系統采用微功耗設計。另外,由于是安裝在輪胎內部,對傳感器尺寸、重量以及可靠性都有嚴格要求。本文給出了基于PIC單片機、單片無線收發芯片nRF2401A及多功能集成傳感器芯片SP12設計的一種用于檢測汽車輪胎壓力、溫度狀態檢測的傳感器系統。該系統的氣壓檢測范圍是100kpa～400kpa,精度為1.4KPa;溫度檢測范圍是-40℃～+125℃。

1 性能指標與總體設計

1.1 性能指標

　　該智能傳感器系統

　　◇壓力測量范圍：100～400 kPa

　　◇溫度測量范圍：-40～+120

　　◇通信頻率：2.4～2.5 GHz

　　◇最大發射功率：0dBm

　　◇接收靈敏度：-80dBm

　　◇傳感器采用3 V鋰電池供電

1.2 總體設計

　　智能傳感器內部基本組成如圖1所示。它以PIC16F684單片機為核心,并包括三合一集成式傳感器芯片SP12,2.4 GHz全雙工無線通信收發模塊nRF2401A。其中SPl2可在單片機的控制下測量車胎的壓力和溫度值。并以數字量形式輸出,再經過單片機MCU打包后通過nRF2401A發射出去。同時,單片機也通過nRF2401A接收主機發來的指令,完成相應的控制或參數配置任務。

2 硬件設計

2.1 MCU單元

　　本系統的每個傳感器內都有1個MCU芯片PIC16F684。這是一款微功耗高性能單片機。由于其片上集成有晶振電路和復位電路,因此其最小系統極為簡單,只要接通電源就可以工作。

　　MCU外部擴展了2個外設,其中同nRF2401A的接口使用了6個I／O口,它們是CS2(輸出口,片選信號)、CE(輸出口,工作模式控制)、WR_UP(輸出口,休眠使能)、DATA(輸入口,數據接收)、DR1(輸出口,數據發送)、CLK1(輸出口,通訊同步信號)。MCU與nRF2401A的通訊采用SPI協議,其中MCU為主機,nRF2401A為從機,通訊協議在MCU上由軟件實現。

　　MCU與SPl2的接口使用了4個I／O口,它們是CS1(輸出口,片選信號)、SD0(輸出口,數據輸出)、SDI(輸入口,數據輸入)、SCK(輸出口,通訊同步信號)。MCU與SPl2的通訊協議也是SPI,其中MCU為主機,SP12為從機,該通訊協議也在MCU上由軟件實現。MCU與外設的接口電路原理圖如圖2所示。

2.2 RF單元

　　RF單元采用集成式2.4GHz無線收發芯片nRF2401A,nRF2401A片內集成有RF放大器、本振與混頻器和調制／解調器、數字接口等電路,因而外圍元件很少。

　　RF單元的硬件設計主要包括RF天線回路、RF放大器增益配置,以及本地振蕩電路的設計。圖3所示是RF單元的電路圖。其中,L1、L2、C6、C7用于構成天線匹配與選頻網絡,R2是RF放大器增益配置電阻,Y1、R3、C8、C9構成本振電路的一部分,El、E2、C2、C3為電源濾波和退耦元件。

2.3 SP12單元

　　SP12是集成式三合一傳感器,它能夠把氣壓、溫度、加速度等物理量轉換為數值量并發送至MCU。SP12的傳感器探頭安裝在芯片封裝上,因此。只需通電就可以通過MCU向SP12發指令以啟動采樣。SP12的外圍電路也很簡單,只有電源接口和MCU的數字接口。具體電路參見圖4。

2.4 電源及輔助電路

　　汽車輪胎狀態監測系統的智能傳感器一般都安裝在車輪內,因此,供電系統一般采用小尺寸電池。考慮到電池容量、壽命及溫度適應性,本設計采用3 V鋰電池供電。

3 軟件設計

3.1 主流程

　　圖5所示是該智能傳感器的主程序流程。本系統開機后．首先執行上電初始化程序。然后進入睡眠模式以節省電能,當到達定時開機時刻,智能傳感器的處理器將被外部中斷喚醒,并執行開機檢測程序,以在車輛移動時執行檢測,否則返回睡眠模式。當系統啟動狀態檢測后,智能傳感器依次檢測輪胎內的氣壓、溫度等信息。

　　通過將檢測值與預定警戒值做比較,系統可以判斷是否出現異常,并執行相應的告警動作。如果系統遇到停機指令,則停機,否則返回睡眠模式。

3.2 開機檢測

　　車輛移動時,SP12芯片可以測量出加速度的變化。加速度超出設定的門限值即判定車輛移動。這就是開機檢測的基本原理。開機檢測本質上是一種加速度檢測,通過單片機控制SP12以實現加速度測量的過程參見圖6。

3.3 狀態檢測

　　狀態檢測是該智能傳感器的核心功能,主要包括氣壓檢測、溫度檢測,以及電池電壓檢測。由于SP12芯片集成了所有氣壓檢測、溫度檢測及電壓檢測功能,因此,它們的狀態檢測程序流程與加速檢測基本類似,主要是對SP12的通訊。各種狀態檢測流程圖見圖7所示。

3.4 變周期定時檢測

　　該智能傳感器是定時開機工作的。為節省電能,它的開機間隔時間可隨氣壓變化做自適應的變化,這也是本傳感器的智能化體現。具體的調節算法如圖8所示。其中,在每個檢測周期內,通過自適應算法可將檢測到的當前氣壓值和當前溫度值分別與預設的標準氣壓值和標準溫度值作比較,以得到當前氣壓偏差量和當前溫度偏差。若當前氣壓偏差量大于歷史氣壓偏差量,則將檢測周期值減小1個單位;若當前氣壓偏差量小于 歷史氣壓偏差量,則將檢測周期值增大1個單位：若當前溫度偏差量大于歷史溫度偏差量,則將檢測周期值減小1個單位;如果當前的溫度偏差量小于歷史溫度偏差量,系統則將檢測周期值增大1個單位。最后,再用當前氣壓偏差值和當前溫度偏差值分別來更新歷史氣壓偏差值和歷史溫度偏差值。

4 結束語

　　本文給出了一種用于檢測汽車輪胎壓力、溫度狀態檢測的智能傳感器系統設計方案。通過該方法可以根據系統性能指標完成系統總體設計以及系統的硬件和軟件設計。本系統能夠獨立完成汽車輪胎氣壓和溫度的檢測,并可作為傳統汽車壓力檢測系統的理想升級產品。