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胎压监视系统设计
摘要
随着汽车的普及，汽车行驶安全愈来愈受到重视，而轮胎压力异常是危及汽车行驶安全的重要因素之一。
因此，实时监测汽车轮胎压力有着重要的意义。
论文以此为背景，设计了直接式汽车轮胎压力监测系统。
轮胎的压力和温度通过传感器检测，并通过无线数据传输方式将压力信息传输至监视终端，实现了实时监测汽车轮胎压力的功能，对汽车行驶安全起到了重要的作用。
论文在需求分析的基础上提出了总体设计方案，并进行软硬件设计。
硬件设计综合运用了检测技术、单片机技术及无线通信技术，其中发射模块能实时检测、处理轮胎的压力和温度参数，并运用无线方式将处理后的数据传输到接收模块。
能校验数据并显示结果，用以告知驾驶员各个轮胎的情况。
系统硬件中央接收处理模块和胎压测量发射模块两部分组成。
中央接收处理模块以MC68HC908KX8微控制器；胎压测量发射模块由MPXY8020A传感器及发射芯片MC68HC908RF2组成。
软件设计包括中央处理模块和胎压测量发射模块。
实现了无线数据发送和数据接收处理的功能。
关键词：
胎压监视；MPXY8020A；MC33594；MC68HC908KX8；
MC68HC908RF2；
Abstract
Withthepopularizationofcars,moreattentionispaidoncars’security.Theabnormaltirepressureisthemainthreatenofvehicledrivingsafety.Therefore,thereal-timemonitoringoftirepressurehasasignificantmeaning.Basedonthefact,adirecttirepressuremonitoringsystemwasdesigned.Thetirepressureandtemperaturewasmeasuredbysensors,andtransportedtoterminalthroughthewirelessdatatransmission.Thesystemperformsareal-timemonitoringofthetirepressureandplaysanimportantroleincarsafety.
Softwareandhardwaredesignwasproposedafterthedemandanalysis.Hardwarecircuitmainlyusessensordetectiontechnology,single-chiptechnologyandwirelesscommunicationtechnology,transmittermodulecandetect，dealwiththetirepressureandtemperatureparametersreal—time，andtransmitteddataprocessedtothereceivermoduleusethewayofwireless．Receivermodulecalibrationdataanddisplaytheresulttoinformthedriverofthesituationofalltires.Thehardwarewascomposedofcentralreceivingmoduleandtirepressuremeasurementtransmittingmodule.MC68HC908KX8microcontrollerexistedasthecoreofthecentralreceivingandprocessingmodule.Inaddition,thismodulehadanexpansionofwirelessreceivercircuit.ThetirepressuremeasuringtransmittermodulewasconstitutedofMPXY8020AsensorandMC68HC908RF2.Thesoftwaredesignincludecentralreceivingmoduleandtirepressuremeasurementtransmittingmodule.Thesoftwarehadthefunctionofwirelessdatetransmissionanddatereception.
Keywords：
TPMS;MPXY8020A;MC33594;MC68HC908KX8;
MC68HC908RF2;
第1章绪论
课题研究背景及意义
轮胎是汽车的重要组成部分，其性能直接影响到汽车的安全行驶和车内人员的人生安全。
每年由于爆胎引起的交通事故在所有交通事故中占有很大比重。
据统计，在我国高速公路上70%是由于爆胎引起的。
而在美国，这一比例更高，达到了80%。
美国汽车工程师协会统计调查表明，美国每年有26万起交通事故是由于轮胎气压低和渗漏引起的。
正是基于这一事实，美国运输部（DOT）国家公路交通安全管理委员会（NHTSA）出台了一项新法规。
法规中规定2003年11月到2006年12月31日间，美国新出厂的轻型汽车将逐步引入轮胎监视系统TPMS（TirePressureMonitorSystem）系统。
可见TPMS系统的研究与投产势在必行。
汽车轮胎压力监测系统主要用于在汽车行驶过程中，实时监测轮胎内的压力和温度，对因轮胎漏气而导致的气压异常进行报警，以保障行驶安全。
TPMS属于事前主动型安保范畴，不同于事后被动型安保的安全气囊和防抱死制动系统（ABS），一旦轮胎出现故障的征兆，驾驶员就能根据警示采取相应的措施，避免事故的发生。
TPMS不仅能保障驾驶员的安全，还能减少因轮胎气压异常而产生的燃油消耗，避免车辆部件与轮胎不正常的磨损，从而延长轮胎的使用寿命。
汽车轮胎压力监测系统发展至今，已与汽车安全气囊、ABS成为汽车的三大安全系统，并被大众所重视。
本课题以此为背景，研究并设计一种直接式汽车轮胎压力监测系统，通过胎压测量发射模块测量和发送轮胎压力、温度等信息，利用中央接收处理模块接收数据信一号并进行相应的数据处理，最终对胎压低压高压警示，对保证驾驶员行车过程中的安全起到重要作用。
TPMS发展情况
TPMS发展至今，主要分为两种类型:
一种是间接式TPMS，这种系统通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的轮速差别，来达到监视的胎压的目的。
另一种是直接式TPMS这种系统利用安装在轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上，监视器实时显示轮胎气压，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。
国外TPMS研究主要集中在北美、日木和欧洲地区，起步相对较一早，加土政策支持，己诞生了相对成熟的产品。
国外主要的生产厂商有加拿大斯马轮胎设备公司、固特异轮胎橡胶公司、米其林集团公司、日本横滨公司等川。
到目前为止，国外己有许多车型都安装了TPMS。
1997年，通用汽车公司开始使用间接式TPMS;2000年5月，直接式TPMS在美国上市。
许多欧洲的汽车厂商也己将直接式TPMS配装于自己的中高档车型之中。
国内方而，山于经济水平落后，安全观念缺乏，且缺少政策支持，TPMS发展较国外相对滞后。
但是着眼于TPMS的发展趋势，国内一些高校，例如吉林大学、浙江大学、郑州大学等，己有学者对直接型TPMS进行理论研究，提出了一系列方案。
此外，国内生产TPMS产品的企业也逐渐增多，但是，这些企业研发和生产水平低下，工艺相对落后，产品的功能、质量与世界一流企业相比存在着明显的差距。
因此，迫切需要制定TPMS国家标准，加大政策支持力度，为国内TPMS的发展提供强劲动力，从而构建更安全的交通环境。
TPMS系统是一种主动安全技术产品，它采用无线传输技术，通过胎压检测模块和接收模块，对行驶过程中的汽车轮胎气压和温度进行实时监测，对轮胎漏气，低压和温度过高进行报警，即在事故发生前进行警报，提醒驾驶员采取措施，以防止爆胎事故的发生。
TPMS系统将极大的提高汽车的安全性能，对减少交通事故能起到立竿见影的效果。
同时还能够达到延长轮胎寿命的功能。
论文主要工作
基于目前国内外TPMS的发展状况，本文设计一种直接式的汽车轮胎压力监测系统（简称胎压监测系统），主要从硬件和软件两部分进行设计，具体内容如下:
（1）硬件设计
给出了汽车轮胎压力监测系统的硬件设计总体方案，包括胎压测量发射模块的设计、中央接收处理模块的设计。
胎压测量发射模块采用胎压传感器来采集轮胎当前的压力、温度，在芯片内部编码和调制后，通过无线方式把压力温度等信息发送给中央接收处理模块。
中央接收处理模块由微控制器、无线接收芯片和报警单元构成。
（2）软件设计
在硬件设计的基础上，分别对胎压测量发射模块和中央接收处理模块进行程序编写。
胎压测量发射模块调用MPXY8020芯片的固件函数来编写发送程序，程序实现每隔一定时间更新并发送一帧胎压信息数据;中央接收处理模块编写了串口、SPI接口的初始化程序，MC33594的驱动程序,KX8的初始化等程序。
论文组织结构
本文共分五章，具体章节安排如下;
第一章:
绪论。
介绍课题的研究背景及意义，TPMS发展状况，并给出沦文的要设计内容和组织结构。
第二章:
胎压监视系统组成。
对整个系统进行了阐述，并分别对胎压测量发射模块和中央处理接收模块进行了简单分析。
第三章:
胎压监视系统方案设计。
分析系统的设计需求，介绍TPMS总体结构设计，详细阐述核心器件的选型，并确定了系统数据通信的编码方式、调制方法、通信协议以及频率选择。
第四章:
胎压监视系统硬件设计。
对胎压监测系统的两个模块分别阐述述了硬件设计。
第五章:
胎压监视系统软件设计。
按照两个模块所要实现的功能分别介绍了软件总体流程，并设计胎压测量发射模块的发送程序、MC33594的驱动程序、中央接收处理模块的数据接收和数据处理程序和报警显示的程序。
第六章:
工作总结与展望。
第2章胎压监视系统组成
根据系统的功能要求，系统的整体框图如以下：
图2.1TPMS整体框图
胎压监视系统由置于轮胎内的胎压测量发射模块和安装汽车驾驶台上的中央接受处理模块组成。
胎压测量发射模块每检测一次压力，都会判断此轮胎是否出现异常情况，如果判断出现异常情况，则形成一帧数据并进行发射。
中央接收处理模块判断是否接收到完整的数据帧，如准确无误，则点亮和轮胎对应的LED指示灯。
胎压测量发射模块
胎压测量发射模块包括传感器单元、微处理器和射频单元组成。
传感器单元包括定时采集轮胎内的眼里和温度数据。
微处理器和射频单元集成在同一芯片内。
微处理器读取来自传感器的数据，进行处理并通过射频单元发射出去。
胎压测量发射模块的框图如下所示：
图2.2胎压测量发射模块框图
中央接收处理模块设计
中央接收处理模块完成信号的接收、校验和处理，并通过LED灯报警显示。
中央接收处理模块的框图如下：
图2.3中央接收处理模块框图
信号接收电路将由轮胎发射出来的信号通过解调后，将数字信号送给微处理器串行接口。
微处理器再进行译码，从数据流中提取各轮胎号、压力值和温度值，然后做出相应的处理。
显示报警部分主要包括LED指示灯。
第3章胎压监视系统的方案设计
设计需求分析
TPMS作为汽车上应用的产品，关系到安全问题，在设计之初，根据实际情况进行以下的需求分析。
TPMS测量轮胎压力，最终目的是让驾驶员了解胎压状况，因此，系统需要由两个模块组成:
用于测量汽车轮胎压力的模块（胎压测量发射模块）和告知驾驶员胎压信息的模块（中央接收处理模块）。
TPMS在工作环境适应方面要求比较严格，特别是胎压测量发射模块，在任何天气且高速运行的状态下，都应能正常工作，且可以适应较宽的温度范围。
此外，胎压测量发射模块要装在轮胎上，体积不能过大，太大会给轮胎安装、拆卸造成很大的困难。
此外，胎压测量发射模块的重量要轻，否则会对轮胎的动态平衡产生影响。
TPMS以无线方式通信，要考虑信号可靠性问题。
胎压监视模块安装在轮胎上，且有多个，发射信号容易受到干扰和造成冲突。
中央接收处理模块放入车内，车体相当于一个屏蔽盒，会减弱信一号。
选择合理的器件并正确设计无线收发电路，对保证信号传输可靠性至关重要。
综上所述，TPMS的设计要求包括以下儿个方面:
l）压力测量范围:
100KPa一450KPa。
高压报警:
>330KPa;低压报警:
<234KPa;
2）温度测量范围:
-40℃～+125℃;
3）胎压测量发射模块设计要小型化;
4）无线接收处理模块接收灵敏度高，能有效接收无线信号;
5）具有低压，高压和高温警示功能。
系统的总体结构设计
本文设计的直接式胎压监测系统，由胎压测量发射模块和中央接收处理模块组成。
中央接收处理模块安装在驾驶室内，方便驾驶员观察当前汽车轮胎压力信息。
四个胎压监视安装在轮胎之中。
该模块由传感器、发射芯片和外围电路。
测量轮胎压力和温度并将ID号、压力、温度等信息帧组装后经曼彻斯特编码送到发射芯片，由发射芯片调制后发送到中央处理模块。
中央处理模块由主控制器，接收芯片构成，该模块通过无线接收芯片接收数据，将数据传送到主控制器，主控制器处理后进行报警显示。
核心器件的选型
胎压传感器选择
本系统选用MPXY8020A，它是基于MEMS技术集成的传感器，主要包括硅集成电容式的压力检测单元、温度检测单元和接口电路（带唤醒特征）。
压力检测范围为0-637Kpa，温度检测范围为-40℃到+125℃。
因为发射模块的体积要尽可能的小，功耗要尽可能的低，而MPXY8020A所有单元都集成在一个芯片里，有利于减轻传感器的体积，以及传感器的能量损耗，从而减轻整个发射模块体积和降低整个发射模块的功耗，所以它非常适合于胎压检测系统。
发射芯片选择
MC68HC908RF2微控制器是摩托罗拉公司生产的一款低成本、高性能的8位微控制器单元（MCU）,它是M68HC08家族中的成员之一,采用了增强型M68HC08中心处理单（CPU08）,适用于多种模式、存储尺寸和类型。
这款MCU产品经过优化,实现了低功耗运行,采用小型的32针脚小外形四方扁平封装（LQFP）,该封装由两部分组成,第一部分是2KBFlashHC08MCU（部件编号MC68HC908RK2）;第二部分是射频转发器（部件编号MC33493）,在自由空间中能将数据传输几百米,适用于汽车胎压监测系统。
MC68HC908RF2的主要特性如下:
（1）高性能的M68HC08体系结构。
（2）完全向上兼容M6508、M146805和M68HC05系列的对象代码。
（3）在3.3V供电时的最大内部总线频率为4MHz。
（4）2KB的片上FLASH存储器,128B的片上RAM。
（5）16位的2通道定时器接口模块（TIM）。
（6）12个通用I/O口,带键盘唤醒功能的6位键盘中断。
（7）1个内置的高频发射模块UHF（MC33493模块）。
（8）较宽的工作温度范围:
-40°C～+125°C。
无线接收收芯片选择
无线接收芯片，从属于中央接收处理模块，用来接收和发送无线信号。
因此，发射功率和接收灵敏度是进行无线收发器芯片选择的依据。
论文选择MC33594，它是高度集成的UHF接收器，MC33594具有接收并解调OOK或FSK调制的Manchester（曼彻斯特编码）数据的功能,同时通过其SPI总线接口可与主控制器进行数据交换;若采用FSK调制,MC33594可支持数据管理器—Manchester数据解码器,如果有匹配的天线,其灵敏度可以达到-103dBm。
调制的曼彻斯特编码数据，数据传输性能非常好，且价格低廉。
中央接收处理模块芯片选择
中央处理模块的主控制器的选择与TPMS系统无关，只要带有SPI总线接口，就可以接收和处理MC33594按顺序发送来的数据。
可以选择MC68HC908KX8。
摩托罗拉的MC68HC908系列，它是一种高性能的8位单片机系列，具有速度快、功能强、功耗低、价格低等特点并且自带看门狗复位，非法指令码检测复位和非法地址检测复位等系统保护特性。
中央处理模块的MCU选用MC68HC908KX8（简称KX8），它是摩托罗拉专为车用设计的MCU系列中的一种，具有高性能、低价位的特点。
数据通信方式选择
曼彻斯特编码
曼彻斯特编码，也叫做相位编码，是一个同步时钟编码技术，具有自同步能力和良好的抗干扰性能。
曼彻斯特编码将每一位数据分成两个相等的间隔，前半位传输的是实际数据，后半位传输的是实际数据的补码，有利于接收端提取同步信号。
曼彻斯特编码编码以数字信号描述就是：
在每个比特周期，取值在周期中间点进行高低电平变换。
数字0被描述为前半个周期为低电平，后半个周期为高电平。
数字1被描述为前半个周期为高电平，后半个周期为低电平。
FSK调制
MPXY8020A和MC33594支持两种数字信号调制方式:
二进制启闭键控调制（OOKOn—OffKeying）和移频键控调制（FSK:
FrequencyShiftKeying）。
OOK调制是振幅键控ASK调制的一个特例，ASK调制的载波幅度随着调制信号而变化，把一个幅度取为0，另一个幅度取为非0，就是OOK调制。
FSK调制是载波频率随数字信号而变化的一种调制方式，利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。
FSK调制的主要优点是:
实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好，在中低速数据传输中得到了广泛的应用。
论文设汁的TPMS，在433.92MHz频率上进行通信，选用FSK调制方式。
频率选择
在众多无线通讯频段中，由于ISM属于公共频段，使用者无需申请频段许可证，这给用户带来很多方便，因此当今很多无线传输所使用的操作频段都是出于ISM频段的频率。
而对采用无线技术的应用来讲，通常采用ISM频段中LPRD频段作为操作频率，此频段有两个工作频段范围，分别为：
433.05MHz-434.790MHz和868MHz-870MHz。
在本系统中所设置的工作频率为433.92MHz。
通信协议
无线数据通信数据双方的通信协议是数据帧的的构成方式，通信协议的合理性是影响数据传输的可靠性的重要因素之一。
本系统的无线通信的数据都是以数据帧的格式进行传输的。
在无线传输中，数据帧的数据字节一般有两种表示方式，一种是二进制字节方式，一种是十六进制ASCII方式。
二进制字节方式中，字节代表其本身，而十六进制的ASCII方式则是有两个字节表示一个实际字节，因此其效率只有二进制字节方式的一半，但采用ASCII方式可以避免实际字节与标志字节相混淆，因此可靠性比较高。
本系统采用十六进制ASCII方式。
本系统的数据传输速率为9600bps，可以由软件进行设定；对于MC33594来说，一组报文包括报头、ID、头字及数据。
在使用前ID的值存储在配置存储器CR2中。
ID字像数据一样进行发送。
报头可以按需放在ID字之前，或者头字前，或者数据前面。
报头的数据内容要确定，否则它可能被MC33594当成ID或者头字。
在FSK调制下，报头可以是4个“1”或者“0”的曼彻斯特编码。
头字是固定的4位曼彻斯特码0110或者它的补码。
数据是以EOM字结尾，它由两个不归零码组成。
如果在解码中，MC33594收到的是头字的补码，则它解码后输出的数据也是原数据的补码形式出现的。
下面描述系统的通信协议。
为了方便起见，MC33594的报头，头字和ID统一用报头进行表示。
这样报头将是4个字节16位。
数据是按帧发送的，每帧数据组成由下表所示：
表2.1数据结构
报头
设备ID
压力
温度
状态
校验和
结束字
16位
32位
8位
8位
8位
8位
2位
报头设置为0xFB86,由上述可知，MC33594的报头占4位，可以设置为“1111”；ID采用默认值“10111000”,该值存在于CR2中；可以根据需要进行改变；头字是固定的4位“0110”。
头字是数据帧报头的最后部分，它不会被解码。
也就是说MC33594输出的数据是从设备ID开始的。
设备ID是32位长，这个ID用来标定产品信息。
前十六位保留用于以后进行扩展，现在先设置为0XFF,后十六位分别标定产品信息和轮胎编号。
轮胎编号占两位。
数据帧接收后，MCU将检查这些ID,如果ID与设定不符，数据会被丢弃。
ID相符后，数据被保存用于以后处理。
压力代表了由传感器测量到的压力数值，它是个8位的值。
温度代表了传感器测量到得温度数值，它也是个8位数值。
8位数字状态代表了发射模块所处于的状态，这包括模块的供电情况、传输方式等。
校验和是8位数据，它的存在可以减少发射模块或者是接收模块以及传输噪声所引起的数据错误的几率。
它的值取决于前面的设备ID、压力、温度以及状态位，它等于它们和的相反数。
这样，当MCU接收到数据并检验时，如果从设备ID开始到校验和所有的数据相加结果为零，则说明数据传输正常。
2位停止位是NRZ编码，它的内容没有实际意义，也不会通过SPI总线传出，它只是代表整帧数据的结尾。
MC33594接收到这2位后自动停止接收数据。
本章小结
本章为胎压监测系统的方案设计，在进行设计需求分析后，给出了系统总体结构设计，并对核心器件进行选型，最终确定MPXY8020A为胎压传感器,MC68HC908RF2芯片为发射芯片。
MC33594为中央处理模块的无线收发芯片以及主控制器MC68HC908KX8。
最后简单的讨论了系统数据通信中的所用的曼彻斯特编码、FSK调制、频率选择和通信协议。
第4章胎压监视系统硬件设计
胎压测量发射模块硬件设计
MPXY8020A的工作方式
MPXY8020A内部集成了压力和温度传感器、SPI串行数据接口、DAC数/模转换器、模拟值比较电路、待机唤醒电路等。
它具有检测0kPa～637kPa压力和-40℃～125℃温度的能力。
该器件有8个引脚。
各引脚作用如下表：
表4.1MPXY8020A各引脚功能
引脚号
名称
功能
方向
1
S1/Vpp
方式选择
输入
2
VDD
电源正极
电源
3
VSS
电源地
电源
4
OUT
比较器或唤醒输出
输出
5
RSTB
MCU复位
输出
6
DATA
数据
输入
7
CLK
数据时钟
输入
8
S0
方式选择
输入
其中DATA、CLK引脚用于外接MCU的串行数据输入,即SPI接口;OUT引脚具有双重功能,当处于测量方式时,OUT端是比较器输出,用于检测逐次逼近的结果;RST为复位引脚;VDD、VSS是正负电源;S1、S0引脚用于控制其操作模式,通过S1、S0的组合可以有以下4种工作方式:
（1）待机工作方式（S1=0,S0=0）
在待机工作方式下,MPXY8020A内部处于最低的功耗状态,只为低频振荡器、SPI、DA
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