自汽车诞生100多年来,汽车爆胎造成的重大交通事故一直是困扰汽车界的技术难题。尤其在汽车的高速行驶过程中,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。据相关统计资料数据表明[1],目前我国在高速公路上发生的交通事故有70%～80%是由于轮胎问题引起的,其中将近50%为爆胎事故。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据专家分析,保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。为此,基于解决此类问题的各种胎压监测系统[2](TPMS) 产品应运而生。本文介绍的TPMS是一种主动安全技术产品,它采用无线传输技术,通过胎压监测模块和接收模块,对在行使过程中的汽车轮胎气压、温度实时自动地监测,对轮胎漏气、低压、温度过高进行报警,即在发生事故前发出警报,提醒驾驶员采取措施,以防止爆胎事故的发生,为汽车驾驶者提供更可靠的保障。此外还有延长轮胎使用寿命,节省燃油的功能。

1 MC68HC908RF2芯片简介

MC68HC908RF2[3]微控制器是FREESCALE公司生产的一款低成本、高性能的8位微控制器单元(MCU),它是M68HC08家族中的成员之一,采用了增强型 M68HC08中心处理单元(CPU08),适用于多种模式、存储尺寸和类型。这款MCU产品经过优化,实现了低功耗运行,采用小型的32针脚小外形四方扁平封装(LQFP),该封装由两部分组成,第一部分是2KB Flash HC08 MCU(部件编号MC68HC908RK2);第二部分是射频转发器(部件编号MC33493),在自由空间中能将数据传输几百米,适用于汽车胎压监测系统。

MC68HC908RF2的主要特性如下：

(1)高性能的M68HC08体系结构。

(2)完全向上兼容M6508、M146805和M68HC05系列的对象代码。

(3)在3.3V供电时的最大内部总线频率为4MHz。

(4)2KB的片上FLASH存储器,128B的片上RAM。

(5)16位的2通道定时器接口模块(TIM)。

(6)12个通用I/O口,带键盘唤醒功能的6位键盘中断。

(7)1个内置的高频发射模块UHF(MC33493模块)。

(8)较宽的工作温度范围：-40°C～＋125°C。

2 汽车胎压监测系统工作原理

本设计是在基于FREESCALE的MC68HC908RF2、MPXY8020A[4]、MC33594[5]等核心芯片以及优化解决方案的基础上,设计的一套汽车胎压监测报警系统,对高速行驶汽车的胎压进行连续监测及预报,并记录最后100秒的胎压信息,为安全行车及行车管理提供依据。系统工作原理如图1所示。

由图1可知,该监测系统由胎压监测模块和中央接收模块两个主要部分组成。其中胎压监测模块安装在汽车轮胎内,该模块带有传感器和无线发射装置,主要用来监测轮胎内的气压和温度并把监测到的数据通过发射装置发送给接收模块;中央接收模块安装在驾驶室操作盘附近,带有无线接收装置、声光报警模块和液晶显示模块,无线接收装置接收到胎压监测模块发送来的数据,将各轮胎的气压和温度由液晶显示模块显示,驾驶者通过显示模块即可掌握各个轮胎的气压和温度状况,当轮胎气压、温度发生异常将要出现危险征兆时,就会通过声光报警模块自动报警,以提醒驾驶者减速慢行或做相应的检查和检修,从而保证行车的安全以及轮胎保持在正常运行状态。此外,为了系统功能的更新和维护方便,该模块还保留了与上位机的USART通信接口。

3 汽车胎压监测系统硬件设计

汽车胎压监测系统硬件设计主要分为胎压监测模块和中央接收模块两大部分,下面介绍具体实现。

3.1 胎压监测模块硬件设计

由图2可知,胎压监测模块硬件部分主要由传感器、控制器和天线匹配网络三部分组成。其中传感器采用的是具有测量温度、压力功能的MPXY8020A。该传感器将一个变容压力传感元件、一个温度传感元件和一个接口电路(带唤醒功能)集成在同一芯片中;具有电源管理和数字输出功能,其低功耗的特殊功能是专门为TPMS而设计,内部的介质保护过滤器可以使其硅片免受环境影响。MPXY8020A根据对S0、S1管脚的不同配置有4种操作模式：待机/复位模式、测量气压模式、测量温度模式和输出数据读取模式。与控制器MC68HC908RF2共有6条引脚连线,其中2个引脚用于控制其操作模式,2个引脚用于数据串行交换,1个引脚用于唤醒控制器。 MPXY8020A还具有复位功能,该引脚作为一个输出端子,定时向控制器发送复位信号,确保模块可靠工作。

控制器MC68HC908RF2将8位Flash单片机(MCU)和UHF发射器(MC33493)集成在同一芯片内。MCU连接传感器,定期检查气压和温度数据。发射器虽然与MCU集成在一起,但其工作完全由MCU控制,设定其工作频率和模式,从而控制数据的发送。匹配网络主要是确保由MC33493 传送来的数据能以无线通信的标准发送出去。

3.2 中央接收模块硬件设计

中央接收模块通过指示灯闪烁或液晶显示来告知驾驶员车辆各轮胎当前的压力、温度是否异常。中央接收模块硬件结构如图3所示,主要由无线接收部分、主控制器以及相关的外围器件组成。无线接收部分由高集成UHF接收器MC33594及其匹配网络组成;MC33594具有接收并解调OOK或FSK调制的Manchester(曼彻斯特编码)数据的功能,同时通过其SPI总线接口可与主控制器进行数据交换;若采用FSK调制,MC33594可支持数据管理器——Manchester数据解码器,如果有匹配的天线,其灵敏度可以达到-103dBm。

主控制器的选择与TPMS无关,只要该控制器带有SPI总线接口,就可以接收、处理MC33594按顺序发送来的数据。本设计中采用基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器ATmega16,该控制器具有运行速度快、流水线方式执行指令、可在线编程、保密性高、价格低廉等特点。对于与主控制器相连的外围器件其功能是当汽车的胎压或温度出现异常情况时,可通过声、光和液晶显示等形式向驾驶员告警。此外为了查询、设置参数方便和便于通过计算机分析胎压数据,该模块还设计了键盘模块和与计算机的串行通信接口。

4 汽车胎压监测系统软件设计

针对汽车胎压监测系统的硬件设计,其软件设计分为胎压监测和中央接收两部分。

4.1 胎压监测模块软件设计

胎压监测模块的功能是准确、及时地监测各轮胎的内部气压、温度数据并发送,其软件流程图如图4所示。模块上电后,首先控制器MC68HC908RF2对自身及传感器MPXY8020A进行初始化。为了降低能耗,延长电池的使用寿命,控制器在没有数据需要处理和传输的情况下,将自身配置成STOP模式,同时将传感器配置成STANDBY模式,传感器在此模式下其OUT引脚每3秒会唤醒(下降沿触发)控制器响应键盘中断。控制器在中断处理程序中,通过修改传感器的工作模式,分别读取采集到的胎压和温度数据,然后启动射频发射模块将数据以曼彻斯特编码方式发送出去,同时进入省电模式,等待响应新的中断。

4.2 中央接收模块软件设计

中央接收模块软件功能是完成数据的接收、处理、判别、显示和告警,其流程如图5所示。

该模块以ATMEGA16为主控制器,在完成初始化后将自身配置为主机模式,通过SPI口对射频接收器MC33594进行初始化,将其配置在315MHz FSK模式下工作,然后又将自己配置成从机模式,等待接收数据。MC33594在接收到从胎压监测模块发送来的压力、温度数据后,由SPI口传送给控制器,控制器在接收数据的同时还要对该数据进行校验和复杂的算法处理,并对处理后的结果进行判断。若当前轮胎内部压力、温度超出了预先预定的范围,则立即启动声光报警,通过蜂鸣器、发光二极管提示驾驶员当前存在异常,同时由LCD将发生异常的轮胎号、胎内信息显示出来;否则提示汽车运行正常。此外,控制器还可以利用键盘设定、更新轮胎压力、温度上/下限值和轮胎ID号,利用串口实现与PC之间的通信,便于查询、分析记录的数据,为优化控制算法和分析交通事故提供依据。

目前,市场上的TPMS 产品主要分为两种类型：一种是间接式TPMS,该类系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,以达到监测胎压的目的;另一种是直接式TPMS,这种系统是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压、温度,并对各轮胎气压、温度进行监视,当轮胎气压太低或有渗漏时,系统会自动报警。本设计为直接式TPMS,实验测试证明：该系统借助芯片组和软件优化算法,能够识别轮胎(包括备用胎),检测压力过大或不足的情况,还能够补偿货物重量的变化,监控轮胎温度,对异常情况及时报警。此外,该系统还兼容各种汽车平台和轮胎技术,模块级的能量管理可以延长电池的使用寿命,并在电池电量过低时发出信号。

随着人们对汽车主动安全性要求的提高及TPMS对防止重大交通事故发生的积极作用,市场对高性能的TPMS的需求量将会进一步增加。因此,汽车胎压监测报警系统具有广阔的发展空间和非常好的市场前景。