射頻收發(fā)芯片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、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?，F(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)危險狀況時及時報(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)及時根據(jù)用戶需求給出當(dāng)時的狀態(tài)，且不耽誤司機(jī)開車，同時檢測車內(nèi)溫度并顯示。系統(tǒng)圖如圖1(b)所示。

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，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。