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)展和技術升級。其中,，繼安全氣囊,、ABS(防抱死制動系統(tǒng))后，國際汽車領域出現(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心和最難預防的,，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)有關專家分析,，保持標準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鍵。
國外自20世紀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)?，F(xiàn)在美國及歐洲一些國家已將TPMS作為汽車必裝設備,。我國TPMS的研究雖然起步較晚，但在2003年11月24日頒布的國家標準--《機動車運行安全技術條件(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無線網絡技術,，功耗低，無需申請頻點,，傳輸可靠,。 1輪胎工作特性及TPMS技術要求
輪胎由橡膠和骨架材料制成，裝于輪胎毅的外側,，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時與地面的摩擦，都有可能導致輪胎溫度過高,，從而使橡膠老化,，縮短了輪胎的使用壽命。
b)輪胎內部氣壓過大或欠壓,。當汽車負載過高或者溫度過高而引起胎內氣體膨脹時,，都會導致輪胎內部氣壓過大而發(fā)生爆胎現(xiàn)象。
c)輪胎漏氣導致欠壓,，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部的溫度和壓力反映出來,，因此,，TPMS只要能夠實時地檢測到輪胎內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原理與硬件設計
2.1 TPMS的系統(tǒng)結構
TPMS由采樣發(fā)射模塊和接收模塊構成,。采樣發(fā)射模塊安裝在輪胎內,，接收模塊安裝在車廂內。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，信號經調制后發(fā)射給接收模塊,。接收模塊的解調電路將發(fā)射模塊發(fā)射出來的射頻信號放大解調后,，將數(shù)字信號送給MCU。MCU作出相應的處理,，如更新當前壓力值,、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結構框圖如圖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定,。
d)可顯示各輪胎當前壓力值,、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,，并由人工設置相應的輪胎編號,。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置輪胎編碼,。
由于各采樣發(fā)射模塊ID的非重復性,，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)射模塊將輪胎內部的溫度與壓力值經打包后發(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,，若想知道輪胎內部的溫度與壓力值,，駕駛員可通過按鍵激活TPMS，讀取輪胎當前壓力,、溫度值,。
2.3無線采樣發(fā)射模塊設計
由SP12、ATmega48(以下簡稱AT48)和CC1100構成采樣發(fā)射模塊,。SP12是一種壓力傳感器,。測量范圍100 kPa～4 500 kPa，內部具有A／D和SPI(串行外設接口),，可以方便地在TPMS中應用,。SP12為14引腳貼片封裝，不需要其他的外部器件,。
AT48是ATMEL公司生產的基于AVR增強型RISC(精簡指令集計算機)結構的極低功耗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)技術的單片可編程UHF收發(fā)芯片,，為低功耗無線應用而設計。其工作頻段靈活,，可以設定在315 MHz,、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM(工業(yè),、科學和醫(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無線網絡技術,。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用來設置一個精確的偏置電流,。C3、C2,、L2和L3形成一個平衡轉換器,，用以將CC1100上的微分RF端口轉換成單端RF信號。CC1100支持振幅,、頻率和移相調制格式,，可以通過寄存器MDM-CF2.MOD_FORMAT進行配置。
通過設置CC1100寄存器WORCTRL將其配置為WOR(電磁波激活)方式,，并設置寄存器位MCS1.RX-OFF_MODE,。當采樣發(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,，然后作出相應的處理,，如更新當前溫度和壓力值、聲光報警等,。在接收之前,， AT48通過對SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDR寫相關數(shù)據(jù),，對CC1100進行初始化和配置相應寄存器，然后等待接收數(shù)據(jù),。
3軟件設計
3.1系統(tǒng)拓撲結構
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備，輪胎內部的采樣模塊是從設備,。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網絡中包括協(xié)調器,、FFD(全功能器件)和RFD(簡化功能器件),，并支持星形網絡、樹狀網絡和網狀網絡3種網絡拓撲結構,?？紤]到普通小轎車有4個輪胎和1個備用輪胎，每個輪胎內的采樣發(fā)射模塊作為ZigBee網絡的1個子節(jié)點,，子節(jié)點之間不進行數(shù)據(jù)的傳輸,，只與車廂內的接收模塊進行通信，因而選用星形拓撲結構,。RFD子節(jié)點通過ZigBee無線網絡將數(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網絡的數(shù)據(jù)幀格式,。
3.2軟件設計
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前檢測到的輪胎內部的溫度和壓力值。
具體實現(xiàn)程序段如下：
4結束語
本文提出的基于ZigBee無線網絡技術和無線收發(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,、低復雜度的ZigBee網絡技術作為通信協(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,。