基于SP370的實用化胎壓監測系統設計

（河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300131）

胎壓監測系統是一種可靠的汽車行駛安全保障，在汽車行駛時，主要通過安裝在汽車輪轂上的胎壓傳感器來實時監測4個輪胎的胎溫胎壓數據，并通過無線傳輸方式將數據發送給胎壓數據接收裝置完成實時顯示，使駕駛人員能預判因輪胎胎溫胎壓的變化對汽車行駛帶來的影響，提前做出反應來避免交通事故的發生[1-6]。

以國內某汽車生產廠家為依托，提出了一種實用化胎壓監測系統設計方案，該方案設計的胎壓監測系統主要包括3個部分：胎壓傳感器、胎壓數據接收裝置和胎壓監測學習機。其中，胎壓傳感器用來實時監測輪胎的氣壓和溫度；胎壓數據接收裝置用來接收和顯示胎壓傳感器發來的實時數據信息；胎壓監測學習機作為獨立于汽車的輔助設備，主要完成胎壓傳感器與胎壓數據接收裝置的定位匹配工作。

1 系統硬件設計

1.1 胎壓傳感器的硬件設計

胎壓傳感器的硬件設計框圖如圖1所示，其中低頻信號接收天線與SP370連接用來接收胎壓監測學習機發出的125 kHz低頻喚醒信號，SP370將采樣信號轉化為數字信號進行處理，完成對自身的喚醒，并完成對胎壓監測學習機的應答。

圖1 胎壓傳感器的硬件設計框圖Fig.1 Tire pressure sensor hardware design

SP370處理采集到的胎溫胎壓等信息，并產生相應的數據信號，之后SP370對數據信號進行FSK調制，調制成中心頻率為433.92 MHz的高頻數據信號，并通過高頻信號發射天線完成發射。

供電鋰電池采用3 V紐扣電池，提供SP370芯片正常工作所需的電壓。

1.2 胎壓監測學習機的硬件設計

胎壓監測學習機的硬件設計框圖如圖2所示。其中以飛思卡爾公司的S9S8AW16單片機為核心，即圖2中的MCU。MCU能產生喚醒胎壓傳感器所需的125 kHz低頻數據波，數據波經功率放大模塊的放大后，再經過LC振蕩模塊，調制為以正弦波為載波的信號波，喚醒胎壓傳感器。

圖2 胎壓監測學習機的硬件設計框圖Fig.2 Tire pressure monitoring learning machine hardware design

高頻信號接收模塊接收胎壓傳感器發來的高頻數據信號，將高頻信號轉換為數字信號后，以SPI四線通訊方式將數字信號傳送給MCU處理。

胎壓監測學習機讀碼后得到已安裝在汽車4個不同位置輪胎內的胎壓傳感器的ID身份信息，通過SCI通訊方式并按照一定的協議發送給胎壓數據接收裝置，完成胎壓數據接收裝置與胎壓傳感器之間的定位匹配工作。之后胎壓數據接收裝置只接收符合這4個ID號的胎溫胎壓信息。

MCU和高頻信號接收模塊正常工作所需的電壓由3 V電池組提供。

1.3 胎壓數據接收裝置的硬件設計

胎壓數據接收裝置的硬件設計框圖如圖3所示，其中以飛思卡爾公司的MC9S08AW32單片機為核心，即圖3中的MCU。高頻信號接收模塊接收胎壓傳感器發來的高頻數據信號，將高頻信號轉換為數字信號后，以SPI四線通訊方式將數字信號傳送給MCU處理，MCU將校驗正確的數據以3線SPI通訊方式傳輸給液晶顯示屏直接顯示。MCU通過SCI通訊方式，來接收胎壓監測學習機發來的4個胎壓傳感器的ID號，將其存儲。

圖3 胎壓數據接收裝置的硬件設計框圖Fig.3 Tire pressure data receiving device hardware design

2 系統軟件設計

2.1 胎壓傳感器的軟件設計

此胎壓監測系統的信號編碼方式采用曼徹斯特編碼。胎壓傳感器的軟件流程如圖4所示，由于SP370內部集成了壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器。所以通過加速度傳感器來感應汽車所處的狀態，當汽車靜止時SP370進入睡眠狀態，而當汽車運行時SP370進入工作狀態，這樣來實現胎壓傳感器的低功耗要求。胎壓傳感器發出的高頻數據幀格式如表1所示。主要包括胎壓傳感器的ID號、輪胎壓力、輪胎溫度、胎壓傳感器電池電量、從ID到電池電量的CRC校驗和。

圖4 胎壓傳感器的軟件流程Fig.4 Software flow chart of the tire pressure sensor

表1 高頻數據幀格式Tab.1 High frequency data frame format

2.2 胎壓監測學習機的軟件設計

胎壓監測學習機的軟件流程如圖5所示，胎壓監測學習機主要通過發射低頻喚醒信號來喚醒胎壓傳感器，并接收和處理胎壓傳感器發回的高頻數據信號來獲取胎壓傳感器的ID號。胎壓監測學習機發射的低頻喚醒信號幀格式如表2所示。胎壓學習機將ID號寫入到胎壓數據接收裝置的數據幀格式如表3所示。其中ID1～ID4分別表示左前輪、右前輪、左后輪、右后輪內胎壓傳感器的ID。

圖5 胎壓監測學習機的軟件流程Fig.5 Software flow chart of the tire pressure monitoring learning machine

表2 低頻信號幀格式Tab.2 Low frequency signal frame format

表3 寫入數據幀格式Tab.3 Write data frame format

2.3 胎壓數據接收裝置的軟件設計

胎壓數據接收裝置的軟件流程如圖6所示，胎壓數據接收裝置接收胎壓傳感器發來的實時監測數據，通過胎壓監測學習機已寫入的ID號來完成數據與方位的匹配。胎壓數據接收裝置對數據進行CRC校驗，當數據通過校驗則直接在液晶顯示屏上對應該方位處顯示。

圖6 胎壓數據接收裝置的軟件流程Fig.6 Software flow chart of tire pressure data receiving device

3 實驗測試與實際測試結果

經測試得出如表4、表5所示的系統性能指標。通過對此胎壓監測系統進行的大量實車測試，得出的結果表明：胎壓數據接收裝置接收到數據的概率在94%以上，數據顯示的可靠率也在94%以上，表明此胎壓監測系統能抗擊外部信號干擾，整體運行可靠，能達到廠家規定的要求。

表4 胎壓傳感器的性能指標Tab.4 Performance of tire pressure sensor

表5 數據接收裝置的性能指標Tab.5 Performance of data receiving device

4 結語

經過大量的測試，此胎壓監測系統能對胎溫胎壓的實時變化做出快速反應，且能保證數據的高度準確性。由于此胎壓監測系統均采用低功耗設計，這樣大大降低了系統運行的功耗，延長了系統的使用壽命，且由于系統采用顯示與數據接收裝置的一體化設計，大大降低了胎壓監測系統的成本。目前，本系統已得到國內某大型汽車生產廠家應用，經實際測試和使用表明，此胎壓監測系統能為汽車的行駛安全提供可靠的保障。

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