nRF401在汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 引言

在汽車高速行駛過程中，輪胎故障是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)在高速公路上發(fā)生的交通事故中約有70％是由爆胎引起的。而保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，因此對汽車輪胎壓力、溫度等參數(shù)的監(jiān)視是安全駕駛的重要保障。開發(fā)和研究汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) TPMS（Tire Pressure Monitoring System）是確保行車安全的有效技術(shù)措施，也是當(dāng)前值得研究的重要課題。TPMS是目前最流行的汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)，它在汽車行駛狀態(tài)下可以實(shí)時(shí)、動態(tài)的對輪胎氣壓和溫度進(jìn)行自動監(jiān)測，對輪胎氣壓過低、過高、漏氣和溫度過高等異常現(xiàn)象進(jìn)行自動報(bào)警，以減少事故的發(fā)生率，確保行車安全。從系統(tǒng)構(gòu)造而言，壓力、溫度等信息可以通過無線裝置進(jìn)行發(fā)送接收。

本文詳細(xì)介紹了基于藍(lán)牙芯片nRF401的汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中采用SPCE061A為上位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對汽車輪胎的壓力和溫度信號的管理和輸出，配有菜單式操作的液晶顯示系統(tǒng)與語音報(bào)警系統(tǒng)來實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示檢測結(jié)果。該系統(tǒng)能準(zhǔn)確的對輪胎內(nèi)的溫度、壓力進(jìn)行采集，并能在出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)及時(shí)報(bào)警。

1 硬件設(shè)計(jì)

胎壓監(jiān)視系統(tǒng)主要包括兩部分：一部分安裝在汽車輪胎內(nèi)，由壓力溫度傳感器、信號處理單元、RF發(fā)射器組成輪胎發(fā)射模塊，輪胎發(fā)射模塊的構(gòu)成如圖 1(a)所示，它的主要功能是通過處理加速度傳感器的信號實(shí)現(xiàn)自動喚醒功能，對輪胎的溫度與壓力信號進(jìn)行采集和處理并通過發(fā)射模塊將信號傳出；另外一部分為安裝在汽車駕駛室內(nèi)的中央監(jiān)視器，包括RF接收器、數(shù)字信號處理單元和報(bào)警顯示電路，中央監(jiān)視器主要完成的功能：實(shí)現(xiàn)對來自汽車輪胎的壓力和溫度信號的管理和輸出，并利用液晶配合語音報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)根據(jù)用戶需求給出當(dāng)時(shí)的狀態(tài)，且不耽誤司機(jī)開車，同時(shí)檢測車內(nèi)溫度并顯示。系統(tǒng)圖如圖1(b)所示。

圖1 TPMS系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)采用挪威Nordic公司推出的一體化無線收發(fā)芯片nRF401，工作在433MHz 國際通用的 ISM頻段，雙工作頻段可以自由切換，F(xiàn)SK調(diào)制解調(diào)，采用直接數(shù)字合成 DSS + 鎖相環(huán)穩(wěn)頻 PLL 進(jìn)行頻率合成，頻率穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，接收靈敏度高達(dá)-105dBm，最大發(fā)射功率為+10dBm，功耗低，接收待機(jī)狀態(tài)時(shí)，電流僅為8μA，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20kbit/s。nRF401采用常用的4 MHz 晶振作為PLL頻率基準(zhǔn)源，而無需昂貴的變?nèi)荻O管；此外它的解調(diào)器是DC平衡的，輸入數(shù)據(jù)可以使各種011序列，無需進(jìn)行曼切斯特編碼，微控制器的 UART直接與nRF401的DIN、DOUT端連接，經(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換后可直接與計(jì)算機(jī)的串口連；nRF401另一個(gè)非常重要的特點(diǎn)是接收機(jī)的頻帶阻抗很高，這意味著不需要外部聲面波濾波器，無需調(diào)試部件。

總體的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2、3所示。由于采用了專用的傳感器，可以設(shè)計(jì)相對簡單的硬件電路。電源由鋰電池提供。在TPMS中由于從機(jī)無法將隨時(shí)檢測的壓力通過線纜傳到上位機(jī)中，故應(yīng)該采用無線傳輸。又因?yàn)槠囕喬スぷ鳝h(huán)境比較惡劣，一般的無線傳輸模塊不能實(shí)現(xiàn)其功能，實(shí)踐證明無線收發(fā)芯片 nRF401通信系統(tǒng)在環(huán)境比較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場工作可靠穩(wěn)定。

圖2 中央監(jiān)視器發(fā)射模塊硬件原理圖

圖3 輪胎檢測模塊硬件原理圖

在硬件電路設(shè)計(jì)中我們充分考慮到系統(tǒng)所接收到的數(shù)據(jù)存在的干擾問題，對相關(guān)部分的設(shè)計(jì)都采取了一定的抗干擾方案。比如在發(fā)射模塊的PCB版圖的設(shè)計(jì)中充分考慮了高頻干擾，采用的凌陽61板作為上位機(jī)的控制器則是利用了它本身具有濾波和消除干擾的優(yōu)勢。電源直接從車內(nèi)12V電源通過電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化后得到。

系統(tǒng)的無線通信部分結(jié)構(gòu)上采用的是主從結(jié)構(gòu)，下位機(jī)由安裝在被測汽車中的監(jiān)測控制器組成，主站是設(shè)在控制中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)；不同的下位機(jī)通過無線通信電路將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)控計(jì)算機(jī)。同一時(shí)刻只能有1臺下位機(jī)工作，這里的通信實(shí)際上是共享介質(zhì)的，為避免多個(gè)下位機(jī)爭用信道而發(fā)生沖突，只有主站向某個(gè)下位機(jī)發(fā)送允許通信信號，下位機(jī)才發(fā)送數(shù)據(jù)。通信模塊由nRF401和很少的外圍器件組成，采用PCB天線，nRF401的數(shù)據(jù)收發(fā)端直接與MCU的串行口相連，MCU用3個(gè)I / O口控制nRF401的狀態(tài)，選用3V供電的低電壓MCU與nRF401共用同一個(gè)電源和同一個(gè)4MHz晶振。

2 軟件設(shè)計(jì)

無線通信系統(tǒng)中，由于供電、空間噪聲及傳輸路徑等因素的影響，直接發(fā)送數(shù)據(jù)的話很容易受到干擾，因而需要設(shè)計(jì)一種傳輸協(xié)議，保證在這種不可靠的物理鏈路上建立起可靠的數(shù)據(jù)連接，系統(tǒng)的無線通訊協(xié)議主要工作在OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層，通過該協(xié)議進(jìn)行必要的檢錯(cuò)編碼。差錯(cuò)控制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_可靠。

下位機(jī)（以四個(gè)為例）均為實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)只有一個(gè)nRF401芯片在接收，而且采用的是在同一頻率下無線傳輸數(shù)據(jù)的工作模式，所以四個(gè)下位機(jī)不能同時(shí)發(fā)送壓力數(shù)據(jù)，需采用應(yīng)答對話方式解決這種沖突，即每個(gè)下位機(jī)被分配一個(gè)口令，可以認(rèn)為是分配的地址，所有下位機(jī)平時(shí)處于接受數(shù)據(jù)的狀態(tài)，等待上位機(jī)的請求。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送帶地址的數(shù)據(jù)請求時(shí)，下位機(jī)根據(jù)接收到的地址判斷是否做出應(yīng)答；上位機(jī)按順序發(fā)送各個(gè)下位機(jī)的地址后立即改為接收狀態(tài)，延遲5秒鐘后沒有接收到數(shù)據(jù)則轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，并報(bào)錯(cuò)顯示哪個(gè)下位機(jī)出了問題，繼續(xù)向下一個(gè)下位機(jī)發(fā)送請求；下位機(jī)接收并判斷地址數(shù)據(jù)，如果是自己的地址，即口令正確，立即變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，發(fā)送采集到的最新數(shù)據(jù)，發(fā)送后再變回接收狀態(tài)，等待上位機(jī)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，以確認(rèn)發(fā)送無誤（因?yàn)榄h(huán)境因素可能導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤）；上位機(jī)接受到數(shù)據(jù)后保存，之后變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，向這個(gè)下位機(jī)發(fā)送回剛剛接受的數(shù)據(jù)，之后再接收等待，等待這個(gè)下位機(jī)的確認(rèn)信號；下位機(jī)接收到傳回的數(shù)據(jù)，跟剛才發(fā)送的數(shù)據(jù)比較，如果一致，發(fā)送確認(rèn)信號，如果不一致，繼續(xù)發(fā)送，并重復(fù)上兩步操作；上位機(jī)接受的如果是確認(rèn)信號，那么把保存的數(shù)據(jù)送至處理程序，如果不是則重復(fù)發(fā)送地址請求。

下位機(jī)上電復(fù)位以后便開始執(zhí)行以上的初始化程序，并進(jìn)入流程圖中的循環(huán)，壓力和溫度采集是在定時(shí)中斷里完成的，中斷時(shí)間暫定每5秒鐘采集一次。為了提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，當(dāng)下位機(jī)采集的電壓或溫度數(shù)據(jù)超過指定的范圍之后，下位機(jī)立即變成發(fā)送狀態(tài)，發(fā)出特殊的報(bào)警信號，而此時(shí)的上位機(jī)不管處于何種工作狀態(tài)一旦接收到報(bào)警信號，立即中斷當(dāng)前通信，與這個(gè)下位機(jī)建立通信。

為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在軟件設(shè)計(jì)中系統(tǒng)還加入了軟件濾波環(huán)節(jié)，在連續(xù)緩沖區(qū)存儲最近5次的采集數(shù)據(jù)，并求出它們的平均值，然后作為當(dāng)時(shí)的氣壓顯示出來。這樣就消除了由于某些數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確而出現(xiàn)的尖峰值，致使系統(tǒng)做出誤判斷。

3 結(jié)束語

本文從硬件和軟件兩方面介紹了汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)中無線通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強(qiáng)；該系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確的對輪胎內(nèi)的溫度、壓力進(jìn)行采集，并能在出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)需在節(jié)能、穩(wěn)定性和安裝等方面有待提高。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：在汽車胎壓監(jiān)視系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用多種抗干擾方法，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

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