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    肖佐無（1971－）
男，湖南株洲人，株洲職業技術學院電子系副教授，在職碩士，（株洲職業技術學院電子工程系，湖南  株洲  412001）主要從事控制理論與應用的教學與科研。

摘要：針對輪胎壓力監控系統(TPMS)在保障汽車舒適性與安全性上的重要作用，介紹了基于Motorola公司輪胎壓力傳感器MPXY8040和嵌入式微處理器MC68HC908RF2的直接式輪胎壓力監控系統的原理,以及系統的硬件設計、軟件設計以及子機和主機的通訊方法，系統設計采用了節能設計方法，提高了設備的使用周期。

關鍵詞：TPMS ；MPXY8040傳感器；MC68HC908RF2嵌入式微處理器；系統設計 ；通訊

Abstract: This paper introduces a new design of tire pressure monitoring system, and describes its hardware structure, software flowchart and their communication. This system can monitor the inside state of the tires and gives off alarm properly. It can help to avoid any traffic accident caused due to blowing out of the tire. For raising the usage period of the equipments , Every tyre has low consumption attachment modules.

Key words:  TPMS ；MPXY8040；MC68HC908RF2；Hardware design；Software design；Communication

1 引言

    隨著汽車消費市場的日益升溫， 汽車的安全性能更加被消費者所關注。在汽車的高速行駛中， 輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發性交通事故發生的重要原因。據統計，在中國高速公路上發生的交通事故有70％ 是由于爆胎引起的，而在美國這一比例高達80％。基于此，美國運輸部(DOT)國家公路交通安全管理委員會(NHTSA)出臺法規。該法規規定：2003年l1月到2006年l0月31日期間美國新出廠的輕型汽車將逐步引入輪胎壓力監測系統(Tyre Pressure Monitoring System)[2]。鑒于如此大的市場潛力，國內外許多公司紛紛開始研制。本文提出基于Motorola公司的MPXY8040溫度和壓力傳感器、MC68HC908RF2嵌入式一體化微處理器和射頻發射器、MC33594接收器和MC68H908KX8微處理器構成的輪胎壓力監控系統。其中MPXY8040和MC68HC908RF2及其外圍電路構成測量和發送子系統，MC33594和MC68H908KX8及其外圍電路構成接收、處理和顯示主系統。

2 TPMS系統構成[2]

    輪胎壓力監測系統分為直接系統和間接系統。間接系統即通過車速傳感器來確定輪胎壓力變化，利用ABS輪速傳感器來間接測量胎壓，成本低，但精度差，無法在任何時間工作。直接式壓力測量法利用車輪內的壓力傳感器和無線發送器，發射信號到射頻接收器，來直接測量溫度和壓力，精度可靠，成本較高。

    直接測量系統需要在每個輪胎上安裝1個遠程感應模塊來采集數據，在車內安裝1個接收模塊來接收和處理數據，并為司機提供適當的顯示即可。

3 系統功能的硬件設計和實現

    系統電路原理圖如圖1和圖2所示。

圖1   輪胎子系統電路原理圖



圖2   儀表盤主系統電路原理圖

    3.1 輪胎子系統（子機）的硬件介紹

    3.1.1 氣壓和溫度傳感器和信號調理電路

    采用Motorola公司的MPXY8040A[4]傳感器測量輪胎壓力和溫度，MPXY8040A壓力溫度傳感器芯片是Motorola公司為測量汽車輪胎壓力和溫度而設計的高集成芯片。該芯片內嵌一個容性絕對壓力傳感器和一個溫度傳感器，包括壓力變換器、正溫度系數擴散電阻溫度傳感器和所有必須電路，用以產生一個校準的8bit溫度和壓力數字輸出，能夠測量0 ～637．5 kPa的輪胎壓力和-40～125 ℃范圍內的輪胎溫度，適用于氣體媒介和一般的胎內環境。每個芯片有標識ID，用于識別是哪一個輪胎。

    MPXY8040A壓力傳感器的典型電氣參數為：3V工作電壓，低功耗，待機電流600nA，壓力采樣電流15mA，溫度采樣電流500μA。它有4種工作模式：待機／復位、壓力檢測、溫度檢測、數據輸出；4種工作模式靈活運用以滿足系統節電的要求。內置的低頻振蕩器，可用于喚醒MCU。

    3.1.2 微控制器和發射電路

    采用Motorola公司MC68HC908RF2[5]芯片，該芯片是高性能、低功耗，32引腳、LQFP表面貼裝器件，供電電壓1.8～3.6V，適合于-40～125 ℃的環境溫度，待機電流0.1nA，FSK的傳輸電流11.6mA，ASK的傳輸電流8mA。該芯片封裝了2個模塊；第1個是2KB快閃HC08 MCU，第2個是射頻發射模塊，能在自由空間能夠傳輸數字數據信號達到了幾百米左右。

    MC68HC908RF2芯片，具有HC08內核、2KFlash用戶存儲器、256字節專用Flash數據存儲器，128字節RAM、17位尋址、16位索引寄存器和堆棧指針、8個通用I/O口、6個具有鍵盤中斷功能的輸入、2個LED輸出；另外它還集成了射頻發射模塊，低功耗的PLL鎖相環射頻發射器，可以完成數字信號的調制和發送、支持315/434和868/915MHz的FSK和ASK調制方式，具有控制發送和輸出功率的功能，輸出功率可調（達到5dBM）,數據傳輸率最大11Kbps、集成PLL鎖相環和VCO壓頻振蕩器，采用PCB印制天線，發射器無須調整，外部元器件少，工作穩定可靠。

    3.1.3 供電電源

    采用3V紐扣式鋰電池供電。

    3.2 控制和顯示部分（主機）的硬件介紹

    3.2.1 主機的接收電路介紹

    主機的接收和解碼電路采用Motorola公司的MC33594[3]芯片，MC33594與Motorola公司MC68HC908RF2芯片的發射電路兼容，MC33594芯片能夠接收和解調Manchester編碼數據，通過通用的SPI總線向嵌入式微處理器MC68H908KX8輸出數據。調制方式：ASK和FSK；工作頻率：315/433MHz 或者866/915MHz；低電流消耗，RUN模式下的工作電流4.3mA，STOP模式下的工作電流10mA；內部和外部選通；1ms的喚醒時間；數據傳輸速度最高可達11Kbps；帶有字節或音調探測的數據管理器（DM）；帶有Manchester編碼信號的時鐘恢復；可完全由SPI接口配置；較少的外部元件。

    主機的微控制器采用Motorola公司的MC68H908KX8[6]芯片；該芯片同MC68HC908RF2芯片相比較，只是少了UHF發射芯片。其它性能指標相同。

4 子機和主機的通訊協議和數據格式

    系統數據采用Manchester編碼、FSK調制的方式通訊。數據的發送速率是9600bps, Manchester編碼利用高電頻變到低電頻表示0，低電頻變到高電頻表示1；FSK調制時利用兩個不同的頻率來表示數字的高、低信號，本系統中用較低的頻率表示1、較高的頻率表示0；接收器MC33594芯片的數據管理器已經設置成這樣的調制和解調方式。當輪胎模塊設置成發送數據時，它先喚醒接收器，然后發送數據幀，最后到睡眠狀態。一個完整的數據幀由以下幾部分構成：（1）前導同部位（Preamble）,共16bit,通常設置成16進制的FB86，前4位（1111）用于喚醒接收器并將建立內部電路；接下來的8bit(B8)用于配置寄存器CR2中的配置值，目的是用來啟動數據管理器，剩余的4bit（0110）用來激活MC33594使其工作，表明有效數據的開始；（2）緊隨前導位（Preamble）的有效數據是器件的ID號，共32bit，用來區分不同的發射器；（3）壓力和溫度信號，各占8bit；（4）狀態信號，占8bit；（5）8bit的校驗和2bit的停止位，校驗位可以幫助減少由其它因素引起的干擾，保證數據的完整和正確，兩個停止位通知接受器傳送數據完畢。整個完整的數據幀共包含了82個數據位。   

5 系統的軟件設計

    5.1 輪胎壓力、溫度的檢測、處理和發射程序的設計

    模塊每3秒被喚醒，測量溫度和壓力參數，將最大值和最小值存入RAM中，如果沒有變化，增加計數器的計數值，返回休眠模式；經過10個計數，約30秒后，將數據傳至接受器模塊，如果有較大的變化，則進入快速發送模式，連續發送255次。具體的流程圖如圖3所示。

圖3   輪胎微處理器的工作流程圖

    5.2 輪胎壓力、溫度數據發送程序設計

    首先測量電池的電壓，電壓正常則進入工作模式，測量數據，發送數據，數據發送完成，進入休眠狀態。具體的流程圖如圖4所示。

圖4   輪胎壓力、溫度數據測量和發送流程圖

    5.3 汽車儀表盤接收系統程序設計

    上電復位后，初始化MC68H908KX8、配置MC33594，并且自檢主機系統，自檢通過則LED閃爍，否則點亮相關的LED，之后等待SPI的數據幀，收到后，進行數據校驗，正確則判斷是否是輪胎傳感器的ID，是則進行相關的顯示，否則忽略。具體流程圖如圖5所示。

圖5   汽車儀表盤主機接收和處理系統的程序流程圖

6 結束語

    基于Motorola公司的嵌入式微處理器的輪胎壓力監測系統集成度較高，穩定性好，能夠同時監測輪胎氣壓、溫度及監測模塊供電電壓三個關鍵參數。當輪胎漏氣、溫度升高等異常情況時，系統都會自動報警，從而確保行車安全，延長輪胎的使用壽命，降低燃油的消耗。硬件結構采用低功耗器件，軟件設計采用合適的采樣周期和工作模式來滿足低功耗和安全兩個方面的要求。此外，主機顯示模塊還可以通過擴展液晶顯示、語音報警及提供與汽車控制系統接口等，來適應不同用戶需要。隨著人們對汽車主動安全性的的要求的提高，及TPMS對防止重大交通安全事故發生的積極作用，市場對高性能TPMS的需求量將會進一步增加。因此，汽車輪胎胎壓監測系統具有廣闊的的發展空間和非常好的市場前景。

參考文獻：

    [1] 張立勇等.基于射頻技術的輪胎氣壓監測系統的設計[J].電子質量. 2006，06：1～5.

    [2] 余敏 陳亭志 楊春昌. 輪胎氣壓/漏氣檢測報警系統[J].汽車科技. 2007，05：31～33.

    [3] SEMICONDUCTOR TECHNICAL  MOTOROLA of MC33594.

    [4] SEMICONDUCTOR TECHNICAL  MOTOROLA of MPXY8040A.

    [5] SEMICONDUCTOR TECHNICAL  MOTOROLA of MC68HC908RF2.

    [6] SEMICONDUCTOR TECHNICAL  MOTOROLA of MC68H908KX8.

    編號：080536