基于CC2530和MPXY8020A的汽車輪胎預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于CC2530芯片和MPXY8020A傳感器設(shè)計(jì)了一種低成本低功耗的直接式汽車主動(dòng)輪胎預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)行駛中汽車輪胎的氣壓、溫度和系統(tǒng)的電量，并通過ZigBee技術(shù)將這些參數(shù)信息無線傳輸?shù)街醒氡O(jiān)視模塊．實(shí)現(xiàn)輪胎故障主動(dòng)預(yù)警。系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，優(yōu)化硬件和軟件，降低運(yùn)行功耗，保證在電池電量有限的情況下，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命1～2年；采用高集成度芯片減小了檢測(cè)模塊的質(zhì)量和體積，降低了檢測(cè)模塊引起的輪胎偏心；通過濾除汽車行駛過程中干擾因素引起的輪胎壓力尖峰，使得測(cè)量的輪胎壓力更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：汽車電子；主動(dòng)安全；輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；ZigBee

0 引言
據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)高速公路上發(fā)生的交通事故中，46％是由于輪胎故障引起的，其中爆胎占70％。輪胎內(nèi)壓力和溫度是引發(fā)輪胎故障的關(guān)鍵因素。在汽車行駛中，輪胎的氣壓過高，會(huì)減少輪胎與地面的接觸面積和減震空間，嚴(yán)重影響輪胎與地面的摩擦力和輪胎的減震效果。除了影響汽車性能外，還會(huì)對(duì)汽車的懸掛系統(tǒng)造成很大的沖擊。輪胎氣壓過低，輪胎的應(yīng)力變形增加，在交變應(yīng)力的作用下導(dǎo)致汽車輪胎的溫度升高，溫度過高時(shí)，輪胎的熱學(xué)性能和力學(xué)性能會(huì)明顯下降，從而導(dǎo)致輪胎壽命下降，甚至爆胎。同時(shí)輪胎的磨損加快，輪胎的載荷承載能力明顯下降，摩擦阻力增加，油耗上升。維持輪胎在正常氣壓和溫度范圍內(nèi)工作，是避免輪胎故障的關(guān)鍵。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Press ure-Sensor Based Tire Pressure Monitoring System，PSB TPMS)主動(dòng)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)壓力和溫度，預(yù)警輪胎異常，有效避免由輪胎故障引發(fā)的交通事故，是汽車電子向主動(dòng)安全發(fā)展的重要方向。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
直接式TPMS包括輪胎監(jiān)測(cè)模塊和中央監(jiān)視模塊兩部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

輪胎監(jiān)測(cè)模塊由帶有補(bǔ)償功能的高集成MPXY8020A傳感器、德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530系統(tǒng)級(jí)射頻單片機(jī)、天線和鋰電池組成。該模塊主要功能是周期性被喚醒，MPXY8020A傳感器測(cè)量輪胎壓力和溫度，CC2530采集的輪胎壓力、輪胎溫度和電池電量信息，并將這些信息打包成數(shù)據(jù)幀，按照IEEE 802．15．4協(xié)議通過RF射頻前端無線發(fā)送到中央監(jiān)視模塊。
中央監(jiān)視模塊由CC2530、天線、LCD、LED指示燈和鋰電池組成。該模塊解析接收到的數(shù)據(jù)幀，將輪胎壓力、溫度和監(jiān)測(cè)模塊的電量實(shí)時(shí)顯示在LCD上面。當(dāng)測(cè)量值超過警戒范圍時(shí)，LCD上面相應(yīng)位置的輪胎會(huì)變成紅色并閃爍，相應(yīng)的LED閃爍。
中央監(jiān)視模塊與輪胎監(jiān)測(cè)模塊的無線通信采用ZigBee聯(lián)盟制定的高可靠、高性價(jià)比、低功耗的IEEE802．15．4協(xié)議。在協(xié)議規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，中央監(jiān)視模塊作為協(xié)調(diào)器，輪胎監(jiān)測(cè)模塊作為終端設(shè)備。在本系統(tǒng)中終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器組成星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端設(shè)備將采集的壓力、溫度和電量信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 TPMS硬件選型和電路設(shè)計(jì)
2．1 輪胎檢測(cè)模塊
鑒于輪胎檢測(cè)模塊安裝在輪胎內(nèi)部，不可經(jīng)常拆卸更換電池，因此模塊可用能源有限，必須采用低功耗的傳感器、RF射頻模塊和MCU；為了防止模塊的重量引起輪胎較大偏心造成輪胎震動(dòng)影響汽車性能，模塊的質(zhì)量必須控制在一定范圍內(nèi)。
傳感器采用集成溫度和壓力傳感器的高集成低功耗MPXY8020A。MPXY8020A有多種功耗模式，通過設(shè)置引腳1(S1)和引腳2(S2)的高低配置工作模式。各種模式下傳感器的功耗如表1所示。

MPXY8020A的引腳4(OUT)有兩種功能：當(dāng)處于空閑模式時(shí)，大約每隔3 s輸出一個(gè)370μs的低電平來喚醒外部采集設(shè)備；當(dāng)處于數(shù)據(jù)輸出模式時(shí)，該引腳根據(jù)采樣值和D／A中值的關(guān)系輸出不同的電平。輸出為高電平時(shí)，表示測(cè)量完成。