据美国汽车工程师学会统计,美国每年有26万起交通事故是由于轮胎气压偏低或渗漏造成的。而在中国高速公路的交通事故中,则有70％是因爆胎而引起。因此,防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题,而确保标准胎压则是防止爆胎的关键。目前的汽车压力检测系统主要包括直接式和间接式。直接式系统通过安装在轮胎内部的传感器直接检测胎内压力和温度状态;间接式则是通过安装在转轴上的传感器检测轮胎转动惯性进而推算出胎内的压力的。由于直接式检测不受温度影响,因而比间接式系统检测更准确,是目前的主流。直接式系统的核心是安装在轮胎内部的传感器模块,它在电池供电下可以工作3～5年,因此要求系统采用微功耗设计。另外,由于是安装在轮胎内部,对传感器尺寸、重量以及可靠性都有严格要求。本文给出了基于PIC单片机、单片无线收发芯片nRF2401A及多功能集成传感器芯片SP12设计的一种用于检测汽车轮胎压力、温度状态检测的传感器系统。该系统的气压检测范围是100kpa～400kpa,精度为1.4KPa;温度检测范围是-40℃～+125℃。

1 性能指标与总体设计

1.1 性能指标

该智能传感器系统的主要性能指标如下：

◇压力测量范围：100～400 kPa

◇温度测量范围：-40～+120

◇通信频率：2.4～2.5 GHz

◇最大发射功率：0dBm

◇接收灵敏度：-80dBm

◇传感器采用3 V锂电池供电

1.2 总体设计

智能传感器内部基本组成如图1所示。它以PIC16F684单片机为核心,并包括三合一集成式传感器芯片SP12,2.4 GHz全双工无线通信收发模块nRF2401A。其中SPl2可在单片机的控制下测量车胎的压力和温度值。并以数字量形式输出,再经过单片机MCU打包后通过nRF2401A发射出去。同时,单片机也通过nRF2401A接收主机发来的指令,完成相应的控制或参数配置任务。

2 硬件设计

2.1 MCU单元

本系统的每个传感器内都有1个MCU芯片PIC16F684。这是一款微功耗高性能单片机。由于其片上集成有晶振电路和复位电路,因此其最小系统极为简单,只要接通电源就可以工作。

MCU外部扩展了2个外设,其中同nRF2401A的接口使用了6个I／O口,它们是CS2(输出口,片选信号)、CE(输出口,工作模式控制)、WR_UP(输出口,休眠使能)、DATA(输入口,数据接收)、DR1(输出口,数据发送)、CLK1(输出口,通讯同步信号)。MCU与nRF2401A的通讯采用SPI协议,其中MCU为主机,nRF2401A为从机,通讯协议在MCU上由软件实现。

MCU与SPl2的接口使用了4个I／O口,它们是CS1(输出口,片选信号)、SD0(输出口,数据输出)、SDI(输入口,数据输入)、SCK(输出口,通讯同步信号)。MCU与SPl2的通讯协议也是SPI,其中MCU为主机,SP12为从机,该通讯协议也在MCU上由软件实现。MCU与外设的接口电路原理图如图2所示。

2.2 RF单元

RF单元采用集成式2.4GHz无线收发芯片nRF2401A,nRF2401A片内集成有RF放大器、本振与混频器和调制／解调器、数字接口等电路,因而外围元件很少。

RF单元的硬件设计主要包括RF天线回路、RF放大器增益配置,以及本地振荡电路的设计。图3所示是RF单元的电路图。其中,L1、L2、C6、C7用于构成天线匹配与选频网络,R2是RF放大器增益配置电阻,Y1、R3、C8、C9构成本振电路的一部分,El、E2、C2、C3为电源滤波和退耦元件。

2.3 SP12单元

SP12是集成式三合一传感器,它能够把气压、温度、加速度等物理量转换为数值量并发送至MCU。SP12的传感器探头安装在芯片封装上,因此。只需通电就可以通过MCU向SP12发指令以启动采样。SP12的外围电路也很简单,只有电源接口和MCU的数字接口。具体电路参见图4。

2.4 电源及辅助电路

汽车轮胎状态监测系统的智能传感器一般都安装在车轮内,因此,供电系统一般采用小尺寸电池。考虑到电池容量、寿命及温度适应性,本设计采用3 V锂电池供电。

3 软件设计

3.1 主流程

图5所示是该智能传感器的主程序流程。本系统开机后．首先执行上电初始化程序。然后进入睡眠模式以节省电能,当到达定时开机时刻,智能传感器的处理器将被外部中断唤醒,并执行开机检测程序,以在车辆移动时执行检测,否则返回睡眠模式。当系统启动状态检测后,智能传感器依次检测轮胎内的气压、温度等信息。

通过将检测值与预定警戒值做比较,系统可以判断是否出现异常,并执行相应的告警动作。如果系统遇到停机指令,则停机,否则返回睡眠模式。

3.2 开机检测

车辆移动时,SP12芯片可以测量出加速度的变化。加速度超出设定的门限值即判定车辆移动。这就是开机检测的基本原理。开机检测本质上是一种加速度检测,通过单片机控制SP12以实现加速度测量的过程参见图6。

3.3 状态检测

状态检测是该智能传感器的核心功能,主要包括气压检测、温度检测,以及电池电压检测。由于SP12芯片集成了所有气压检测、温度检测及电压检测功能,因此,它们的状态检测程序流程与加速检测基本类似,主要是对SP12的通讯。各种状态检测流程图见图7所示。

3.4 变周期定时检测

该智能传感器是定时开机工作的。为节省电能,它的开机间隔时间可随气压变化做自适应的变化,这也是本传感器的智能化体现。具体的调节算法如图8所示。其中,在每个检测周期内,通过自适应算法可将检测到的当前气压值和当前温度值分别与预设的标准气压值和标准温度值作比较,以得到当前气压偏差量和当前温度偏差。若当前气压偏差量大于历史气压偏差量,则将检测周期值减小1个单位;若当前气压偏差量小于历史气压偏差量,则将检测周期值增大1个单位：若当前温度偏差量大于历史温度偏差量,则将检测周期值减小1个单位;如果当前的温度偏差量小于历史温度偏差量,系统则将检测周期值增大1个单位。最后,再用当前气压偏差值和当前温度偏差值分别来更新历史气压偏差值和历史温度偏差值。