引言

       汽車工業(yè)的發(fā)展帶動汽車配備用品行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)升級。其中,，繼安全氣囊,、ABS(防抱死制動系統(tǒng))后，國際汽車領(lǐng)域出現(xiàn)的TPMS(汽車胎壓檢測系統(tǒng)),，被譽為新一代汽車高科技安全配備用品,。

       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,。據(jù)統(tǒng)計，在高速公路上發(fā)生的交通事故有70％～80％是由于爆胎引起的,。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。據(jù)有關(guān)專家分析,，保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵,。

       國外自20世紀(jì)70年代末開始研究輪胎氣壓監(jiān)測裝置，歸納起來,，主要分為兩種類型：一種是基于車輪速度的(間接式),；另一種是基于壓力傳感器的(直接式)。現(xiàn)在美國及歐洲一些國家已將TPMS作為汽車必裝設(shè)備,。我國TPMS的研究雖然起步較晚,，但在2003年11月24日頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)--《機動車運行安全技術(shù)條件(征求意見稿)》中,，對安裝輪胎壓力檢測裝置作出了說明，可見我國已開始重視TPMS的發(fā)展,。

       本文提出的TPMS采用模塊化的設(shè)計,，規(guī)范化的編程，其核心部分是將采集到的溫度壓力數(shù)據(jù)通過無線方式進行發(fā)送和接收,。利用Chipcon公司生產(chǎn)的無線收發(fā)芯片CC1100能很好地解決這一問題,，它支持ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，功耗低,，無需申請頻點,，傳輸可靠。 1輪胎工作特性及TPMS技術(shù)要求

      輪胎由橡膠和骨架材料制成,，裝于輪胎毅的外側(cè),，支承汽車重量，吸收和緩和沖擊與振動,，并使汽車與地面保持良好的附著性能,，從而有效地傳遞汽車的驅(qū)動力矩或制動力矩。輪胎的工作特性對汽車的安全行駛影響很大,。

       影響輪胎正常工作特性的因素主要有：

     a)輪胎溫度過高,。由于環(huán)境氣溫過高，以及輪胎在高速旋轉(zhuǎn)時與地面的摩擦,，都有可能導(dǎo)致輪胎溫度過高,，從而使橡膠老化，縮短了輪胎的使用壽命,。

     b)輪胎內(nèi)部氣壓過大或欠壓,。當(dāng)汽車負(fù)載過高或者溫度過高而引起胎內(nèi)氣體膨脹時，都會導(dǎo)致輪胎內(nèi)部氣壓過大而發(fā)生爆胎現(xiàn)象,。

      c)輪胎漏氣導(dǎo)致欠壓,，也會增大輪胎和地面的摩擦，不僅耗油,，還會縮短輪胎的使用壽命,。

      輪胎的機械性能主要是通過輪胎內(nèi)部的溫度和壓力反映出來，因此,，TPMS只要能夠?qū)崟r地檢測到輪胎內(nèi)部的溫度和壓力情況,，就可以分析出輪胎的運行狀況。

      由于TPMS發(fā)射系統(tǒng)處于輪胎的封閉狀態(tài)中,，因此,，系統(tǒng)的主要技術(shù)要求如下：

     a)考慮到安裝并采用紐扣電池供電等問題，采樣發(fā)射端應(yīng)體積小,、功耗低,。
     b)系統(tǒng)能識別本各采樣發(fā)射端發(fā)來的溫度,、壓力測量值。
     c)系統(tǒng)能濾除別的汽車發(fā)來的任何數(shù)據(jù),。
     d)接收端能對各采樣發(fā)射端發(fā)來的溫度,、壓力測量值實時顯示，并能進行越限報警,。

      2 TPMS原理與硬件設(shè)計

       2.1 TPMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       TPMS由采樣發(fā)射模塊和接收模塊構(gòu)成,。采樣發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，接收模塊安裝在車廂內(nèi),。采樣發(fā)射模塊對壓力傳感器檢測的氣壓和溫度信號進行采樣,，由 MCU(微控制單元)進行數(shù)據(jù)分析處理后送給射頻發(fā)射電路，信號經(jīng)調(diào)制后發(fā)射給接收模塊,。接收模塊的解調(diào)電路將發(fā)射模塊發(fā)射出來的射頻信號放大解調(diào)后,，將數(shù)字信號送給MCU。MCU作出相應(yīng)的處理,，如更新當(dāng)前壓力值,、聲光報警等，從而實現(xiàn)輪胎壓力的顯示和監(jiān)控,。由傳感器,、MCU、發(fā)射,、接收等主要芯片組成的TPMS結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。系統(tǒng)總體布局如圖2所示。

       2.2系統(tǒng)功能與總體設(shè)計

       TPMS采樣發(fā)射模塊工作在劇烈振動,、環(huán)境溫差變化很大和不便于隨時檢修的條件下,。因此，要求所有的器件有很高的可靠性和穩(wěn)定性,，能適應(yīng)寬的溫度范圍和劇烈的震動,。為了縮小TPMS采樣發(fā)射模塊的體積、節(jié)省功耗和增強功能,，需要選用功耗低,，功能強的芯片。

       為了延長TPMS采樣發(fā)射模塊電池的使用壽命,，使其能工作3～5年,，系統(tǒng)節(jié)電是一個十分重要的課題。只有在大多數(shù)時間系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài),，才能省電與延長電池壽命,。

       系統(tǒng)的主要功能如下：

      a)實時監(jiān)測各輪胎的溫度,、壓力情況,。
      b)當(dāng)某個輪胎的壓力過高,、過低時報警。
      c)輪胎保養(yǎng)換位時,，各輪胎采樣發(fā)射模塊的位置編號可重新設(shè)定,。
      d)可顯示各輪胎當(dāng)前壓力值、溫度值,。

       安裝采樣發(fā)射模塊時,，將5個模塊逐個開啟工作，進行注冊,。接收端接收到采樣發(fā)射模塊發(fā)來的未注冊的ID(識別碼)編碼后實施注冊,，并由人工設(shè)置相應(yīng)的輪胎編號。接收端的MCU將ID與輪胎編碼存儲在E2PROM中,，供正常工作時使用,。

       若輪胎中模塊失效后，可以將要變更的采樣發(fā)射模塊ID從主機接收模塊中刪除后重新注冊,。輪胎保養(yǎng)換位后可以在主機接收模塊中重新設(shè)置輪胎編碼,。

       由于各采樣發(fā)射模塊ID的非重復(fù)性，可以有效地避免同一車輛的5個輪胎采樣發(fā)射模塊之間或不同車輛采樣發(fā)射模塊之間的互相干擾,。

       汽車行駛時,，接收模塊中振動傳感器檢測到汽車振動信號，TPMS被激活,。主機通過收發(fā)芯片發(fā)送命令將采樣發(fā)射模塊從休眠中喚醒,。采樣發(fā)射模塊將輪胎內(nèi)部的溫度與壓力值經(jīng)打包后發(fā)送出來。接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)包中的ID與存儲在主機E2PROM中的ID及輪胎編碼進行比對,，以確定是哪個輪胎的數(shù)據(jù),，并進行存儲與顯示。當(dāng)輪胎的壓力過高或過低時,，進行報警,。汽車停止時，振動傳感器檢測不到振動信號,，TPMS便進入休眠狀態(tài),。汽車停止時，若想知道輪胎內(nèi)部的溫度與壓力值,，駕駛員可通過按鍵激活TPMS,，讀取輪胎當(dāng)前壓力、溫度值,。

        2.3無線采樣發(fā)射模塊設(shè)計

        由SP12,、ATmega48(以下簡稱AT48)和CC1100構(gòu)成采樣發(fā)射模塊。SP12是一種壓力傳感器。測量范圍100 kPa～4 500 kPa,，內(nèi)部具有A／D和SPI(串行外設(shè)接口),，可以方便地在TPMS中應(yīng)用。SP12為14引腳貼片封裝,，不需要其他的外部器件,。

       AT48是ATMEL公司生產(chǎn)的基于AVR增強型RISC(精簡指令集計算機)結(jié)構(gòu)的極低功耗8位CMOSMCU。正常模式為：1 MHz,，1.8 V／300μA,；32 kHz，1.8 V／20μA(包括振蕩器),；掉電模式為：1.8 V／0.5μA,。

       CC1100是一種低成本的基于Chipcon′Smart RF(射頻)技術(shù)的單片可編程UHF收發(fā)芯片，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計,。其工作頻段靈活,，可以設(shè)定在315 MHz、433 MHz,、868 MHz和915 MHz的ISM(工業(yè),、科學(xué)和醫(yī)療)和SRD頻段。功耗低(接收電流小于16 mA,，發(fā)射電流小于30 mA,，休眠時電流小于10 μA，且支持ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),。CC1100的主要工作參數(shù)能通過SPI接口編程改變,，這樣使CC1100使用起來更靈活。

        采樣發(fā)射模塊電路設(shè)計如圖3所示,。傳感器SP12將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給AT48,，AT48將數(shù)據(jù)通過SPI口送給CC1100，再由CC1100轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主機接收 模塊,。

        模塊發(fā)射頻率由發(fā)射芯片CC1100的晶振及外部元件決定,，本系統(tǒng)選擇發(fā)射頻率433 MHz，這時引腳8和引腳10接26 MHz晶振,。C2為(3.9±0.25)pF,，C3為(3.9±0.25)pF，C4為(8.2±0.5)pF,，C5為(5.6±0.5)pF,，C6為 220pF±5％，C7為220pF±5％,，L2為27nH±5％,，L3為27nH±5％,，L4為22nH±5％，L5為27nH±5％,。電阻R2用來設(shè)置一個精確的偏置電流,。C3、C2,、L2和L3形成一個平衡轉(zhuǎn)換器，用以將CC1100上的微分RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號,。CC1100支持振幅,、頻率和移相調(diào)制格式，可以通過寄存器MDM-CF2.MOD_FORMAT進行配置,。

        通過設(shè)置CC1100寄存器WORCTRL將其配置為WOR(電磁波激活)方式,，并設(shè)置寄存器位MCS1.RX-OFF_MODE。當(dāng)采樣發(fā)射模塊接收到有效數(shù)據(jù)包后,，CC1100被激活并進入發(fā)射模式同時喚醒AT48,。

       2.4無線接收模塊設(shè)計

       接收電路由無線收發(fā)芯片CC1100和AT48組成，如圖4所示,。

       CC1100和AT48通過SPI口進行數(shù)據(jù)傳輸,。在接收狀態(tài)時，由SCLK作為同步時鐘,，CC1100收到有效的數(shù)據(jù)信息,，將數(shù)字信號送給AT48的 SPI口。AT48將接收到數(shù)據(jù)進行譯碼,，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎的溫度和壓力值,，然后作出相應(yīng)的處理，如更新當(dāng)前溫度和壓力值,、聲光報警等,。在接收之前， AT48通過對SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDR寫相關(guān)數(shù)據(jù),，對CC1100進行初始化和配置相應(yīng)寄存器,，然后等待接收數(shù)據(jù)。

       3軟件設(shè)計

        3.1系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        接收模塊和采樣模塊采用主從方式,，接收模塊可看做是主設(shè)備,，輪胎內(nèi)部的采樣模塊是從設(shè)備。為實現(xiàn)采樣發(fā)射模塊與接收模塊之間可靠的無線通信,，兩者之間必須以一定的協(xié)議進行,。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包括協(xié)調(diào)器、FFD(全功能器件)和RFD(簡化功能器件),，并支持星形網(wǎng)絡(luò),、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。考慮到普通小轎車有4個輪胎和1個備用輪胎,，每個輪胎內(nèi)的采樣發(fā)射模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的1個子節(jié)點,，子節(jié)點之間不進行數(shù)據(jù)的傳輸，只與車廂內(nèi)的接收模塊進行通信,，因而選用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。RFD子節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以幀的形式傳送給接收端，再由接收端主機對數(shù)據(jù)進行分析,、處理后顯示出來,。圖5是 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀格式。 

       3.2軟件設(shè)計

      采樣發(fā)射模塊與接收模塊(主機)間的通信模式如圖6所示,。

       采樣發(fā)射模塊向接收模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示,。

      3.2.1采樣發(fā)射模塊程序流程

       采樣發(fā)射模塊的主程序流程如圖8所示。當(dāng)CC1100檢測到喚醒命令時被激活,，并喚醒MCU,。MCU配置CC1100進入發(fā)射模式。MCU采集傳感器檢測到輪胎內(nèi)的數(shù)據(jù)進行處理后,，由CC1100發(fā)往主機,。發(fā)送成功后，CC1100和MCU則重新進入休眠狀態(tài),。寄存器配置如表1所示,。

      3.2.2接收模塊程序流程

        接收模塊的程序流程如圖9所示。

        接通電源后,，AT48先進行初始化,，再對CC1100進行配置。當(dāng)MCU檢測到振動信號時,，給采樣發(fā)射模塊發(fā)送激活命令,。發(fā)送命令成功后，立刻進入接收模式,，若CC1100接收狀態(tài)準(zhǔn)備好,，則可以接收數(shù)據(jù)。若接收到的數(shù)據(jù)是有效的,，則將接收到的ID 與存儲在單片機E2PROM中的ID碼進行比較,，如果與其中的某個ID相匹配則數(shù)據(jù)就被處理并保存。當(dāng)檢測到溫度,、壓力值偏離正常值則進行報警,，提醒駕駛員注意。駕駛員也可通過顯示器察看當(dāng)前檢測到的輪胎內(nèi)部的溫度和壓力值,。
具體實現(xiàn)程序段如下：

      4結(jié)束語

      本文提出的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線收發(fā)芯片CC1100的TPMS,，充分利用無線收發(fā)芯片CC1100,、AT48和傳感器SP12的特性，采用低功耗,、低復(fù)雜度的ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為通信協(xié)議,，在電磁波激活模式下，發(fā)送數(shù)據(jù)包成功后CC1100可以進入深度休眠狀態(tài),，大大降低了模塊功耗,。每個輪胎都設(shè)置了固定的ID碼以避免外界的干擾，駕駛員可以在駕駛室手動讀取任何一個輪胎的溫度,、壓力值,，實時監(jiān)測輪胎狀況，預(yù)防輪胎故障,。該系統(tǒng)的實現(xiàn)為防止汽車爆胎提供了一個有效的途徑。