汽车轮胎预警监测系统设计

0 引言
    据统计，在我国高速公路上发生的交通事故中，46％是由于轮胎故障引起的，其中爆胎占70％。轮胎内压力和温度是引发轮胎故障的关键因素。在汽车行驶中，轮胎的气压过高，会减少轮胎与地面的接触面积和减震空间，严重影响轮胎与地面的摩擦力和轮胎的减震效果。除了影响汽车性能外，还会对汽车的悬挂系统造成很大的冲击。轮胎气压过低，轮胎的应力变形增加，在交变应力的作用下导致汽车轮胎的温度升高，温度过高时，轮胎的热学性能和力学性能会明显下降，从而导致轮胎寿命下降，甚至爆胎。同时轮胎的磨损加快，轮胎的载荷承载能力明显下降，摩擦阻力增加，油耗上升。维持轮胎在正常气压和温度范围内工作，是避免轮胎故障的关键。汽车轮胎压力监测系统(Press ure-Sensor Based Tire Pressure Monitoring System，PSB TPMS)主动监测轮胎内压力和温度，预警轮胎异常，有效避免由轮胎故障引发的交通事故，是汽车电子向主动安全发展的重要方向。

1 系统组成及工作原理
    直接式TPMS包括轮胎监测模块和中央监视模块两部分，系统的结构图如图1所示。

    轮胎监测模块由带有补偿功能的高集成MPXY8020A传感器、德州仪器公司生产的CC2530系统级射频单片机、天线和锂电池组成。该模块主要功能是周期性被唤醒，MPXY8020A传感器测量轮胎压力和温度，CC2530采集的轮胎压力、轮胎温度和电池电量信息，并将这些信息打包成数据帧，按照IEEE 802．15．4协议通过RF射频前端无线发送到中央监视模块。
    中央监视模块由CC2530、天线、LCD、LED指示灯和锂电池组成。该模块解析接收到的数据帧，将轮胎压力、温度和监测模块的电量实时显示在LCD上面。当测量值超过警戒范围时，LCD上面相应位置的轮胎会变成红色并闪烁，相应的LED闪烁。
    中央监视模块与轮胎监测模块的无线通信采用ZigBee联盟制定的高可靠、高性价比、低功耗的IEEE802．15．4协议。在协议规定的网络拓扑结构中，中央监视模块作为协调器，轮胎监测模块作为终端设备。在本系统中终端设备和协调器组成星形网络拓扑结构，终端设备将采集的压力、温度和电量信息发送到协调器设备。网络拓扑结构如图2所示。

2 TPMS硬件选型和电路设计
2．1 轮胎检测模块
    鉴于轮胎检测模块安装在轮胎内部，不可经常拆卸更换电池，因此模块可用能源有限，必须采用低功耗的传感器、RF射频模块和MCU；为了防止模块的重量引起轮胎较大偏心造成轮胎震动影响汽车性能，模块的质量必须控制在一定范围内。
    传感器采用集成温度和压力传感器的高集成低功耗MPXY8020A。MPXY8020A有多种功耗模式，通过设置引脚1(S1)和引脚2(S2)的高低配置工作模式。各种模式下传感器的功耗如表1所示。

    MPXY8020A的引脚4(OUT)有两种功能：当处于空闲模式时，大约每隔3 s输出一个370μs的低电平来唤醒外部采集设备；当处于数据输出模式时，该引脚根据采样值和D／A中值的关系输出不同的电平。输出为高电平时，表示测量完成。[page]

    RF射频模块和MCU选择德州仪器公司的片上级系统CC2530。CC2530集成了工业级的8051和工作在2．4 GHz免费频段且符合IEEE802．15．4协议标准的RF射频前端；内部集成了ADC，可用来检测电源电压；CC2530具有多种功耗模式，通过电源管理可以大幅度降低系统的功耗。各种功耗模式的功耗如表2所示。

    轮胎检测模块的硬件电路如图3所示，MPXY8020A的引脚1(OUT)连接到CC2530的P1_3引脚上面，周期性唤醒CC2530；由于检测模块的工作环境复杂恶劣，为了防止程序跑飞，MPXY8020A的引脚5(RESET)连接到CC2530的第20(RESET)引脚，每个52 min MPXY8020A输出一个低电平复位CC2530；为了防止来自外界的电磁干扰引起逻辑电路的误判断，未使用的引脚外接10 kΩ电阻拉低。

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2．2 中央监视模块
    CC2530和LCD之间通过SPI接口通信，CC2530的引脚P1_5(SCLK)和引脚P1—6(MOSI)分别与LCDSPI接口连接。系统中K1，K2和K3用来配置系统的工作参数，低电平有效。LED1(Green)和LED2(Red)分别指示警告和正常。监视模块电路图如图4所示。

3 软件设计
    本系统的软件是基于德州仪器公司的Z—Stack2007设计的。为了降低功耗，对协议栈简化，删减了不必须的功能。
3．1 数据帧的设计
    CC2530发送数据和接收数据时，RF射频前端工作，此时消耗功率最大，因此应该减少轮胎检测模块的数据发送数和发送数据的长度。为了能够识别一个系统中每个轮胎的参数值和防止多个系统之间的设备冲突，将设备的扩展地址加入到数据帧。压力、温度和电压值分别占用一个字节。数据帧的具体格式如表3所示。

    中央监视模块解析收到的数据帧，通过扩展地址来一一对应每只轮胎，然后将温度、压力和电量信息对应到相应轮胎。
3．2 检测模块软件设计
    CC2530被唤醒后，立刻进入温度、压力和电池电压的测量。为了能够精确测量轮胎内压力和温度采用逐次逼近的方式，但是逐次逼近方式需要64个时钟周期的采样时间。因此对采样的时间顺序进行优化，在最短时间内完成数据采样。
    P=2．5×Output±(误差)
    式中：P为轮胎压力测量值(单位：kPa)；Output为MPXY8020A输出的8位精度压力模数转换值；误差为温度和电源电压等因素影响产生测量误差的软件修正值。
    根据上式将压力模数值转换成轮胎压力值。由于压力测量值受到温度和电源电压的影响偏离真实值，通过软件方式对误差值进行进行修正，最后得出准确的压力值。MPXY8020A测量的温度值也偏离真实值，其测量误差如图5所示。MPXY8020A测量值的软件校正值和CC2530片内温度传感器测量值的平均值视为真实温度。

    监测模块连续20次温度和压力测量值的变化幅度在传感器误差允许范围内相等时，认为汽车处在停止状态，此时系统休眠时间延长，休眠时间最长至10 min。休眠时间大于3 s时，CC2530屏蔽MPXY8020A唤醒，进入PM2功耗模式。

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    程序流程图如图6所示。

3．3 监视模块软件设计
    当接收到轮胎检测模块的数据帧时，监视模块MCU被唤醒，系统启动解析数据帧，识别轮胎，在LCD上面相应轮胎位置处显示此轮胎的压力和温度。通过按键配置安全阈值，当轮胎的压力和温度偏离标准值高于安全阈值时，LCD上轮胎图标由绿色变成红色，同时绿色LED常亮变成红色LED闪烁。
    为了防止汽车行驶过程中，由于路面的凹凸不平和汽车载荷的变化，引起轮胎压力出现尖峰波动，引发系统错误警告，通过软件方法将压力尖峰波动过滤。
    监视模块接收四个轮胎数据帧的周期大于5 min，系统将关闭LCD显示和LED指示灯，自动进入休眠状态。进入休眠状态后，系统只有在2 min内连续检测到至少两个轮胎的数据帧时，系统判定汽车正在行驶则退出休眠。软件流程图如图7所示。

4 结论
    实际轮胎工况十分复杂，直接式TPMS是主动预警轮胎故障最直接的方法，但其寿命受到电池电量的限制。采用低功耗设计，优化硬件和软件，可延长TPMS系统寿命1～2年。采用高集成度芯片减小检测模块的质量和体积，可降低轮胎偏心。通过滤除干扰因素引起的轮胎压力尖峰，可使轮胎压力测量更加准确和稳定。系统定时复位，可防止程序跑飞，增加了系统的稳定性和准确性。