基于嵌入式系統的汽車輪胎氣壓強度信號監控研究

唐衛斌

（商洛學院 電子信息與電氣工程學院，商洛 726000）

引言

隨著工業經濟的發展，汽車開始大量使用，隨之而來的就是汽車行駛安全問題。據相關統計，在未來的幾年甚至幾十年汽車的年產銷量將呈現持續增長的姿態，伴隨著這種大量增長的勢頭，汽車行駛出現的安全隱患問題接踵而至，是當今社會關注的焦點。

輪胎是支撐車體重量、驅動、傳遞和牽引力、制動力導向，保證車輛與地面的附著性的重要零件。全球每年發生的汽車交通事故中，死亡人數高達50萬人，其中輪胎爆胎引發的事故占70 %[1]。輪胎氣壓不足或過高都會造成輪胎磨損，壽命減少，由此可知，汽車輪胎氣壓強度信號監控是保證輪胎安全的重要技術[2]。傳統的汽車輪胎其強度信號監控方法受到汽車行駛距離的影響，距離越遠，安裝在汽車輪胎的監控子節點裝置消耗電流電量越多，工作壽命越短。因此，提出基于嵌入式系統的汽車輪胎氣壓強度信號監控研究，利用嵌入式系統，實現信號的無線傳輸，以此解決傳統方法中存在的問題。

1 基于嵌入式系統的汽車輪胎氣壓強度信號監控方法設計

嵌入式系統是一種嵌入在受控器件內部，針對特定任務而設計的計算機系統[3]。在汽車輪胎氣壓強度信號監控方法設計中，將不同功能的芯片安裝在汽車輪胎內部，結合嵌入式操作系統達到監控輪胎氣壓強度信號的目的。

1.1 監控子節點傳感器設計

監控子節點是整個汽車輪胎氣壓強度信號監控的發起者，考慮汽車輪胎實際工作溫度范圍及輪胎壓力情況，傳感器溫度測量滿足-40 ℃～125 ℃，傳感器壓力測量范圍為100～450 kPa[4]。

根據上述需求，選擇SP370作為監控子節點的傳感器，其剖面圖如圖1所示。

圖1 SP370剖面圖

該芯片是具有14引腳的SOP封裝，其各引腳功能如表1所示。

表1 SP370引腳功能

將傳感器作為監控子節點安裝在汽車輪胎內部，通過無線射頻傳輸，將氣壓傳感器獲取的氣壓強度信號傳輸至處理中心。

1.2 無線射頻傳輸設計

根據實際的汽車環境、輪胎氣壓強度信號的采集手段，監控中的各個模塊間無法通過有線方式進行數據傳輸，因此，設計無線射頻傳輸功能，通過無線射頻傳輸方式實現通信[5]。

采用MAX1471作為射頻接收器，MAX1471中包含了超外插接收器所需要的全部有源元件，并且其內部存在的一個非連接接收模式，能夠保證功耗較低，具有一定的節能功能。

將MAX1471外接一個10.4 MHz的低通濾波器，提高輪胎氣壓強度信號質量。晶振的頻率同接收載波的頻率的關系如公式1所示。

式中：

xz—接收載波的頻率；

xXTAL—晶振頻率。

在MAX1471中，MIXOUT、AGND和IFIN+負責連接低通濾波器，用于ASK數據的解調[6]。MAX1471內部的寄存器的讀寫控制通過微控制器連接SCLK、CS和DIO實現[7]。

ADATA引腳置于高位，表示接收的是ASK解調數據。ASK接收數據是利用二進制數1和0控制載波的通斷，其目的是在載波在數據信號1的狀態下，傳輸信道傳送載波；在數字信號0的狀態下，傳輸信道終端載波傳送。傳輸的載波信號如下：

FDATA置于高位，表示接收的是FSK解調數據。FSK是利用數字信號的1和0控制兩個不同頻率的載波信號交替輸出。其表達式為：

式中：

Fm—采樣信號；

t—周期；

ω—頻率；

ψ—幅度；

f1(t)—數字信號為1時的FSK解調數據；

f2(t)—數字信號為0時的FSK解調數據[8]。

接收信號環節主要通過與微控制器連接的引腳，進而對MAX1471內部期存器進行讀寫，實現汽車輪胎氣壓強度信號的接收。MAX1471的寫入操作時序圖如圖2所示。

圖2 射頻接收器寫入操作時序圖

通過上述過程接收由監控子節點傳輸的汽車輪胎氣壓強度信號，此時監控到的信號是模擬信息，設計A/D信號采樣轉換功能，將模擬信息轉換成計算機可以識別的數字信息，通過監控顯示模塊展示在用戶面前。

1.3 A/D信號采樣轉換設計

使用12位的ADC進行電壓信號的采集，具體工作電路圖如圖3所示。

圖3 ADC12輸入電路開關和采樣保持電路

ADC12的內部存在兩種參考電壓可供選擇，另外在汽車輪胎氣壓強度信號采樣和模數轉換過程中，所需要的時鐘信號源可以選擇，轉換結果由專門的桶形緩沖[9]。

在實際信號轉換過程中，ADC12提供4種不同的信號模數轉換模式，供用戶選擇。分別是單通道單次轉換和單通道多次轉換，序列通道單次轉換和多次轉換[10]。

單通道單次轉換主要通過轉換存儲控制寄存器，設置汽車輪胎氣壓強度信號模數轉換的通道和范圍，使用設置的通道完成一次采樣和轉換后，使用ENC復位和置位，為下一次任務做準備。單通道多次轉換，使用設定的通道進行多次任務，直到達到用戶設置的條件，停止任務。使用單通道相關轉換模式，在每次任務完成后，轉換的結果存放在ADC12中[11]。

序列通道轉換中，存在多個通道，每個通道的相關參數由特定的存儲控制寄存器設置，單次轉換與多次混轉換模式基本類似，不同的是，在實汽車輪胎氣壓強度信號監控過程中，單次轉換只完成一次信號轉換，多次轉換，會一直轉換，直到達到用戶設置的條件，停止轉換。

在實際輪胎氣壓強度監控中，改變轉換模式不需要停止當前轉換，直接切換模式后，當前轉換任務完成后，轉換后的模式直接生效。轉換完成后，數字信號傳輸至監控顯示模塊，顯示在用戶面前。

1.4 監控顯示設計

通過S3C2440 LCD控制器控制TEL LCD，將監控的汽車輪胎氣壓強度顯示在LCD上。將LCD設備注冊到監控設備中，定義LCD平臺設備的各種資源，分配info結構體空間，初始化結構體中的各項參數和LCD控制器，申請幀緩沖設別的顯示緩沖區空間，注冊info，實現對LCD顯示模式進行設定的硬件接口函數[12]。

注冊完成后，初始化MMU，設置Nand flash的配置寄存器，選擇通信口，LCD初始化，通過串口通信接收信號。LCD監控顯示工作原理圖如4所示。

圖4中顯示，汽車輪胎氣壓強度監控數據顯示在用戶面前是由像素時鐘信號、行同步信號、幀同步信號、數據使能信號共同工作作用的結果。在此基礎上，提供人機交互功能，實現實時接收、處理并顯示輪胎氣壓強度信號。監控結果顯示在用戶面前的同時，當輪胎氣壓強度超過預設的極限值時，通過報警模塊，為用戶提供聲光預警。聲光報警模塊選擇8路LED發光管作為對應的輪胎位置、高低壓提示燈，蜂鳴器作為聲音預警[13]。

至此，基于嵌入式系統的汽車輪胎氣壓強度監控方法設計完成。

2 汽車輪胎氣壓強度信號監控方法性能仿真測試

2.1 測試環境

在汽車輪胎壓強信號監控方法仿真測試中，采用標準C編程，選用CodeWarrior編輯環境，無縫連接AXD Debugger調試器。

為了保證在測試過程中，嵌入式系統上電或復位時，首先加載運行Boot Loader程序，將內存地址存放在Flash中的0x00000000處。系統上電后，在ADS中編譯程序，使用Boot Loader程序，跟操作系統內核一起編譯，燒寫進Flash。ADS調試設置圖如圖5所示。

將Image entry point設置為0xc0080000，勾選Output local symb，完成后，文件內生成可執行的bin文件，成功燒寫至目標板的Flash中。

2.2 軟件調試

在ADS環境下編寫汽車輪胎氣壓強度信號監控執行代碼，反復調試無誤后，下載至flash中運行。按照從局部到整體調試整個測試過程所需的軟硬件。

加載不涉及任何外設的簡單多任務的應用程序，調試開發板運行情況，復位引導代碼運行情況，多任務程序運行結果。

分別調試SPI數據接收處理任務、中斷服務任務和數據顯示任務，直至輸出正確結果。加載編寫的所有執行功能的程序到硬件部分，調試程序，測試汽車輪胎氣壓強度信號監控方法的基本功能，如低壓報警、高壓報警或高溫報警等，調試結果顯示，各個環節功能執行正常，穩定可靠，可進行后續測試。

2.3 功耗測試及結果分析

圖4 LCD監控顯示工作原理圖

圖5 ADS調試設置圖

測試安裝在汽車輪胎內部的監控子節點在正常監控過程中功耗情況，以此判斷監控子節點的使用壽命。使用基于嵌入式系統的汽車輪胎氣壓強度信號監控方法測試的同時，使用傳統的基于WSN的監控方法，在相同的條件下，測試汽車側輪胎監控子節在休眠狀態耗電和正常工作狀態下的狀態消耗電流和電量情況。

為了更好的對比兩種不同的汽車輪胎氣壓強度信號監控方法。測試在不同的情況下，消耗電流電量情況，定時喚醒裝置設置為4 s一次，第一次喚醒設置加速度值，隨后增加電壓、溫度和壓力，分別測試其消耗的電流電量。

不同狀態下測量結果如表2和表3所示。表2中顯示休眠狀態下，電流電量最大消耗值為1.7，不同狀態下測量結果分別為1.56、0.95、1.5和0.5；表3中顯示休眠狀態下，電流電量最大消耗值為0.9，不同狀態下消耗情況分別為0.81、0.77、0.93、0.3；對比觀察兩組數據，明顯能夠看出表3中結果低于表2中結果，假設一次監控子節點一次完整的工作需要時間為4 s，取各種狀態下所消耗電量的最大值，經計算得出，使用傳統的監控方法，監控子節點的使用壽命4.96年，使用設計的監控方法，監控子節點的使用壽命為8.23年，兩者相比，設計的基于嵌入式系統的汽車輪胎氣壓強度信號監控方法優于傳統的監控方法。

表2 傳統的監控方法子節點電流及電量消耗情況

表3 設計的監控方法子節點電流及電量消耗情況

3 結束語

近年來汽車安全問題受到廣泛關注，監控汽車輪胎氣壓強度信號有助于保證汽車行駛安全及駕駛員人身安全。提出基于嵌入式系統的汽車輪胎氣壓強度信號監控研究，通過設計的對比測試證明了設計的監控方法，通過嵌入式系統的引用，解決了傳統的監控方法中存在的監控子節點工作壽命短的問題。