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　　近幾年，隨著人們的消費(fèi)水平的日益提高，汽車(chē)消費(fèi)市場(chǎng)的日益火爆，汽車(chē)的安全性能更加地被消費(fèi)者所關(guān)注。在汽車(chē)高速行駛過(guò)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)生的重要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國(guó)這一比例更是高達(dá)80%?；诖耍绹?guó)運(yùn)輸部（DOT）國(guó)家公路交通安全管理委員會(huì)（NHTSA）出臺(tái)了法規(guī)。該法規(guī)規(guī)定：2003年11月到2006年10月31日期間美國(guó)新出廠(chǎng)的輕型汽車(chē)將逐步引入輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TyrePressureMonitoringSystem，TPMS）。鑒于如此大的市場(chǎng)潛力，國(guó)內(nèi)外許多汽車(chē)公司紛紛開(kāi)始投入TPMS的研制。

　　1 TPMS硬件系統(tǒng)構(gòu)成

　　輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。間接系統(tǒng)是通過(guò)ABS確定輪胎壓力變化的系統(tǒng)。ABS通過(guò)車(chē)速傳感器確定輪胎故障，從而決定是否啟動(dòng)防抱死系統(tǒng)。目前這類(lèi)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率沒(méi)有直接系統(tǒng)高，故障輪胎的確定也很困難，而且系統(tǒng)校準(zhǔn)極其復(fù)雜。此外，在某些情況下此類(lèi)系統(tǒng)會(huì)無(wú)法正常工作，例如同一車(chē)軸的兩個(gè)輪胎氣壓都低時(shí)。直接系統(tǒng)一般由輪胎監(jiān)測(cè)模塊和主機(jī)接收顯示模塊構(gòu)成。通過(guò)在每一個(gè)輪胎上都安裝一個(gè)輪胎監(jiān)測(cè)模塊，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車(chē)行駛狀態(tài)下各個(gè)輪胎的狀況，從而使安裝在駕駛臺(tái)的主機(jī)接收顯示模塊能實(shí)時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度等。在輪胎出現(xiàn)漏氣、低氣壓及高溫等異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。這樣駕駛者可以直觀(guān)地了解各個(gè)輪胎狀況，以保障行車(chē)安全。

　　1.1 輪胎監(jiān)測(cè)模塊

　　輪胎監(jiān)測(cè)模塊嵌入到輪胎里面，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)部氣壓和溫度狀況，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)調(diào)制方式發(fā)送到主機(jī)顯示模塊，故輪胎監(jiān)測(cè)模塊主要應(yīng)包含傳感器、微控制器、UHF發(fā)射器以及供電電池。整個(gè)模塊放置在輪胎里面，在汽車(chē)高速行駛時(shí)且輪胎內(nèi)部產(chǎn)生高溫情況下要能正常運(yùn)行，并且能保證有效工作5～10年，故而模塊的小型化、寬工作溫度范圍以及低功耗設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

　　1.1.1 NPX-C10746簡(jiǎn)介

　　NPX-C10746是GENovaSensor公司最新推出的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專(zhuān)用芯片，它是由一塊帶有大量外圍器件的Philip8bitRISC內(nèi)核組成的高集成度芯片。片內(nèi)集成有壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、低噪聲放大器和12位A/D轉(zhuǎn)換器;內(nèi)置的RC振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘，無(wú)需外接晶體振蕩器;SOIC14L封裝，工作溫度達(dá)汽車(chē)工業(yè)級(jí)（-40～+125℃）。

　　1.1.2 監(jiān)測(cè)模塊硬件構(gòu)成

　　輪胎監(jiān)測(cè)模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。UHF發(fā)射芯片采用Atmel公司的ATA5757，該芯片集成度高、低功耗模式下電流《1μA、MSOP-10封裝（3mm×5mm），能很好滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)模塊低功耗、小型化設(shè)計(jì)要求;工作電壓范圍為2V～3.6V，當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊使用單塊扣式電池供電時(shí)，可不加電源管理芯片，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)工作時(shí)間。監(jiān)測(cè)模塊采用Tadiran公司的TLH-2450長(zhǎng)效鋰亞硫酰氯扣式電池供電，該電池額定工作溫度在-40℃～+125℃之間，并具有外形尺寸小、能量密度大、自放電極低的特點(diǎn)。此外，供電電池串聯(lián)一個(gè)加速度開(kāi)關(guān)（即圖1中的開(kāi)關(guān)），用于控制監(jiān)測(cè)模塊電源。當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)速超過(guò)2圈/秒時(shí)，加速度開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，監(jiān)測(cè)模塊開(kāi)始工作。

　　1.2 主機(jī)接收顯示模塊

　　主機(jī)接收顯示模塊安裝在汽車(chē)駕駛臺(tái)，通過(guò)改變指示燈顏色和數(shù)碼顯示告知駕駛員車(chē)輛各輪胎當(dāng)前的壓力、溫度及供電電壓狀況是否異常等。

　　主機(jī)接收顯示模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由接收天線(xiàn)、UHF接收器MC33594、微控制器P89LPC930等器件組成。

　　MC33594器件是摩托羅拉公司生產(chǎn)的高度集成的UHF接收器，它能夠接收并解調(diào)OOK或FSK調(diào)制的Manchester編碼數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)一條串行外圍接口（SPI）總線(xiàn)將其發(fā)送出去。通信中采用FSK調(diào)制方式時(shí)，MC33594支持?jǐn)?shù)據(jù)管理器，可以去掉數(shù)據(jù)幀中的同步碼、前導(dǎo)碼和結(jié)束符（EOM）等字節(jié)，這樣控制它的軟件就可以大大簡(jiǎn)化。P89LPC930是Philip公司的一款微控制器，適合于許多要求高集成度和低成本的場(chǎng)合，可以滿(mǎn)足多方面的性能要求。P89LPC930采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度六倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件，且?guī)в蠸PI總線(xiàn)接口，可方便地與MC33594進(jìn)行通信。

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　　2 TPMS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　TPMS的軟件比較簡(jiǎn)單，輪胎監(jiān)測(cè)模塊主要對(duì)氣壓、溫度及電源電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、處理和傳輸。主機(jī)顯示模塊接收到數(shù)據(jù)幀并經(jīng)校驗(yàn)后顯示氣壓、溫度和電壓值，并且與報(bào)警閾值進(jìn)行比較以判斷是否需要報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)低功耗設(shè)計(jì)要求非常高，所以應(yīng)盡可能合理安排程序流程，優(yōu)化軟件算法。

　　2.1 輪胎監(jiān)測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)

　　輪胎監(jiān)測(cè)模塊的主程序在執(zhí)行完初始化功能后便根據(jù)當(dāng)前氣壓值與報(bào)警閾值的差值設(shè)置定時(shí)中斷時(shí)間，然后進(jìn)入低功耗模式。模塊供電電壓、輪胎氣壓和溫度的監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)的傳輸都放置在中斷程序，中斷結(jié)束立即進(jìn)入低功耗模式。NPX-C10746內(nèi)置中斷定時(shí)時(shí)間大約為0.5秒～4秒，輪胎氣壓和溫度正常時(shí)，可取3秒定時(shí)中斷一次，調(diào)用NPX的輪胎氣壓和溫度檢測(cè)與補(bǔ)償、CRC-16校驗(yàn)計(jì)算執(zhí)行庫(kù)后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送給主機(jī)顯示模塊。在氣壓及溫度接近或低于報(bào)警閾值時(shí)，縮短定時(shí)中斷時(shí)間，增加數(shù)據(jù)采樣及發(fā)送頻率。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)模塊供電電壓下降相對(duì)比較緩慢，這里采用軟件計(jì)數(shù)定時(shí)中斷來(lái)延長(zhǎng)其檢測(cè)周期，取20次中斷（60秒）采樣一次。定時(shí)中斷程序流程如圖3所示。

　　2.2 主機(jī)顯示模塊程序設(shè)計(jì)

　　主機(jī)上電后，P89LPC930初始化，配置完MC33594后，模塊進(jìn)入等待SPI數(shù)據(jù)工作狀態(tài)。在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀并經(jīng)CRC校驗(yàn)（采用查表法實(shí)現(xiàn)，減小MCU占用時(shí)間）和輪胎ID判斷無(wú)誤后，送數(shù)碼顯示并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈以表示各模塊工作正常。當(dāng)輪胎監(jiān)測(cè)模塊供電電壓、氣壓及溫度接近或低于報(bào)警閾值時(shí)，主機(jī)啟動(dòng)LED閃爍警告或蜂鳴器報(bào)警。程序流程圖如圖4所示。

　　2.3 通訊及協(xié)議

　　2.3.1 數(shù)據(jù)幀格式

　　輪胎監(jiān)測(cè)模塊與主機(jī)接收顯示模塊之間的無(wú)線(xiàn)通訊采用固定的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度進(jìn)行，具體數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

　　同步碼的長(zhǎng)度為16bit，設(shè)置成0xFB86。具體意義如下：

　　·0xF（1111）：MC33594至少需要4bit的同步碼來(lái)喚醒它，并讓它的內(nèi)部電路穩(wěn)定。

　　·0xB8（11001000）：MC33594的寄存器2被編程為0xB8，這樣使前同步碼中的0xB8數(shù)據(jù)被驗(yàn)證并接通數(shù)據(jù)管理器。

　　·0x6（0110）：MC33594中報(bào)頭被使能，指示有實(shí)際意義的數(shù)據(jù)輸出（從輪胎ID開(kāi)始）。

　　MC33594接收到的同步碼不會(huì)被發(fā)送到SPI總線(xiàn)，所以P89LPC930收到的數(shù)據(jù)幀從輪胎ID編號(hào)開(kāi)始共8個(gè)字節(jié)。

　　輪胎ID編號(hào)長(zhǎng)度為32bit，它可用于表示輪胎監(jiān)測(cè)模塊所屬TPMS系統(tǒng)的標(biāo)志，并表明其被安裝在哪個(gè)方位的輪胎，從而方便主機(jī)顯示模塊辨識(shí)。P89LPC930接收到數(shù)據(jù)幀后，會(huì)對(duì)輪胎ID編號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如果ID不匹配，數(shù)據(jù)幀就會(huì)被忽略。

　　氣壓、溫度和電壓各占一個(gè)字節(jié)，代表當(dāng)前測(cè)得的數(shù)值。

　　CRC校驗(yàn)碼通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊調(diào)用NPX的CRC-16校驗(yàn)計(jì)算執(zhí)行庫(kù)生成，放置在數(shù)據(jù)幀幀尾。主機(jī)接收顯示模塊CRC校驗(yàn)正確后才進(jìn)行相應(yīng)處理，否則忽略該數(shù)據(jù)幀。

　　2.3.2 通信設(shè)置

　　系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信載波頻率選用433.92MHz，發(fā)射速率取9600bps，采用FSK調(diào)制方式。發(fā)射前先對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼（如圖5所示）就是用兩個(gè)bit之間的電平變化來(lái)表示數(shù)字信號(hào)0或1。由高電平變?yōu)榈碗娖奖硎緮?shù)字0，反之則表示數(shù)字1。通過(guò)曼徹斯特編碼可以減小發(fā)射信號(hào)的直流分量，降低誤碼率，提高通信距離。

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　　可以看出，基于NPX系列傳感器的輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成度較高，穩(wěn)定性好，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎氣壓、溫度和監(jiān)測(cè)模塊供電電壓三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)輪胎出現(xiàn)漏氣、溫度升高等異常情況時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)報(bào)警，從而確保我們行車(chē)的安全，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，降低燃油的消耗。此外，主機(jī)接收顯示模塊還可以通過(guò)擴(kuò)展液晶顯示、語(yǔ)音報(bào)警及提供與汽車(chē)控制系統(tǒng)接口等來(lái)適應(yīng)不同用戶(hù)需要。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在國(guó)內(nèi)某一型號(hào)的TPMS產(chǎn)品中，且運(yùn)行狀況比較良好。