梁 攀，許華榮，吳飛斌，韓 軍

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建廈門 361000；2.中國(guó)科學(xué)院海西研究院泉州裝備制造研究所，福建泉州 362000)

0 引言

確保輪胎壓力正常是汽車安全行駛的重要保障之一，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)利用安裝在車輛輪胎內(nèi)部的胎壓傳感器將壓力、溫度等信息通過無線信號(hào)發(fā)送到駕駛室的顯示終端上，胎壓異常時(shí)則發(fā)出警示信號(hào)，在行車安全性上起到了重要作用[1]。TPMS要準(zhǔn)確指示故障輪胎所在位置則需要接收端將傳感器和其實(shí)際的安裝位置匹配以實(shí)現(xiàn)輪胎定位。輪胎定位的方法有多種，采用傳統(tǒng)的方法會(huì)在傳感器內(nèi)部提前寫入位置信息并在外部標(biāo)注該傳感器安裝時(shí)所對(duì)應(yīng)的位置[2]，在輪胎換位或傳感器更換時(shí)需使用對(duì)應(yīng)位置的傳感器重新安裝，過程較繁瑣；間接式TPMS可利用采集到的輪速信號(hào)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輪位進(jìn)行識(shí)別，該方法需對(duì)每輛車采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和大量的訓(xùn)練[3]；基于場(chǎng)強(qiáng)的定位技術(shù)可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱判斷傳感器安裝距離，結(jié)合加速度區(qū)分左右輪位從而實(shí)現(xiàn)輪胎定位[4-5]，但在電磁干擾嚴(yán)重或同側(cè)并排安裝多個(gè)傳感器時(shí)易導(dǎo)致定位失敗。針對(duì)輪胎數(shù)目較多布局復(fù)雜的情況，為確保定位可靠且易于操作，使用近距離低頻通信實(shí)現(xiàn)輪位匹配的方法[6]可有效運(yùn)用于商用車輛。

本文以SP370胎壓檢測(cè)傳感模塊為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，利用其低頻喚醒特性，設(shè)計(jì)出可低頻配置胎壓傳感器輪位的嵌入式手持終端，同時(shí)可實(shí)時(shí)查看包括輪胎氣壓、溫度、加速度及模塊電壓在內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，方便在現(xiàn)場(chǎng)能確保傳感器的安裝可靠性。

1 系統(tǒng)概述

該手持設(shè)備以STM32F103微控制器作為控制核心，射頻數(shù)據(jù)接收部分選用TDA5235多頻段高靈敏度接收芯片。SP370胎壓傳感模塊發(fā)回的數(shù)據(jù)經(jīng)射頻芯片處理后再送入微控制器，接收到的數(shù)據(jù)可以寫到由W25Q64構(gòu)成的存儲(chǔ)模塊中，也可以交由液晶觸摸屏顯示，方便用戶實(shí)時(shí)查看。在交互界面上用戶可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕發(fā)送指令給胎壓傳感模塊，還可使用USB接口將保存到存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦以備查看。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 主要電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 射頻信號(hào)接收電路

在有干擾的情況下，選擇射頻接收芯片的主要考慮因素是其高靈敏度和高穩(wěn)定性[7]。本設(shè)計(jì)中選擇的TDA5235無線接收芯片具有低功耗、高靈敏度性能，支持多頻段ASK/FSK調(diào)制及雙相編碼。接收器采用超外差/低中頻架構(gòu)，經(jīng)二次下變頻可良好地抑制鏡像通道頻率，能迅速適應(yīng)頻率變化，完全集成的∑-Δ小數(shù)N分頻頻率合成器可實(shí)現(xiàn)10.5 Hz的高分辨率頻率合成，內(nèi)部器件的高度集成，使其應(yīng)用電路只需較少的外圍元件。微控制器只需通過SPI接口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)TDA5235的配置。芯片的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 TDA5235應(yīng)用電路圖

圖2中，帶寬為330 kHz的陶瓷濾波器SFECF10M7EA00用于完成第一中頻頻率為10.7 MHz的選擇，當(dāng)考慮設(shè)計(jì)成本時(shí)，可使用π型LC濾波器代替或者直接采用以中頻頻率為274 kHz的單下變頻機(jī)制處理接收到的信號(hào)。天線阻抗匹配采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際的分析調(diào)試，匹配網(wǎng)絡(luò)中采用的電感值為39 nH，電容值為0.5 pF時(shí)，可將天線阻抗匹配到50 Ω達(dá)到最佳的接收效果。

2.2 低頻磁場(chǎng)發(fā)送電路

為保證手持設(shè)備與傳感器的通信質(zhì)量，并將通信范圍限定在有效距離內(nèi)。系統(tǒng)采用能有效穿透混凝土、塑膠等非磁性材料的低頻磁場(chǎng)，對(duì)傳感器實(shí)現(xiàn)近距離喚醒[8]。低頻磁場(chǎng)的發(fā)送采用LC串聯(lián)諧振電路，考慮到發(fā)射線圈在同一位置產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與線圈半徑成正比，因此電路設(shè)計(jì)中低頻天線選用DO5022P-333ML電感，該電感屬鐵氧體磁芯線圈電感，有較大的線圈半徑和品質(zhì)因素。模塊工作時(shí)，由微控制器引腳輸出的編碼數(shù)據(jù)送入TC4422的輸入引腳，TC4422可持續(xù)輸出最大為2 A的電流信號(hào)，在編碼信號(hào)的作用下電路開始諧振，產(chǎn)生低頻磁場(chǎng)，并且經(jīng)過功率放大后確保了有效的通信距離[9]。低頻信號(hào)發(fā)送的電路原理圖如圖3所示。

圖3 低頻信號(hào)發(fā)送電路圖

2.3 觸摸顯示接口電路

顯示界面采用3英寸TFT彩屏，微控制器和彩屏驅(qū)動(dòng)器通過MIPI DBI Type B規(guī)范連接，16位并行數(shù)據(jù)傳輸有效地保證了數(shù)據(jù)幀的及時(shí)刷新。屏幕按鍵采用電容式觸摸屏實(shí)現(xiàn)，支持多點(diǎn)觸控，MCU只需要通過I2C接口即可獲取觸摸點(diǎn)位置。LCD觸摸顯示屏接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件功能較為復(fù)雜，良好的人機(jī)交互界面需要整個(gè)系統(tǒng)有較高的實(shí)時(shí)性，因此在軟件設(shè)計(jì)上采用將整個(gè)系統(tǒng)劃分為多個(gè)任務(wù)，由FreeRTOS實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度。系統(tǒng)中，按照數(shù)據(jù)的處理流程將系統(tǒng)分為了顯示數(shù)據(jù)刷新、低頻信號(hào)發(fā)送、射頻信號(hào)接收、屏幕觸摸檢測(cè)、USB數(shù)據(jù)傳輸這幾個(gè)不同的模塊，模塊之間通信采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制和消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制相結(jié)合的方法，保證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。圖5為程序結(jié)構(gòu)整體框圖。

圖4 觸摸顯示屏接口原理圖

圖5 程序結(jié)構(gòu)框圖

圖5中，F(xiàn)reeRTOS系統(tǒng)根據(jù)各任務(wù)中的信號(hào)量以及延時(shí)周期判斷是否解除任務(wù)阻塞并在就緒任務(wù)中挑選優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)執(zhí)行。其中STemWin界面顯示任務(wù)為核心任務(wù)，負(fù)責(zé)接收觸摸檢測(cè)任務(wù)發(fā)送的觸摸位置并做出界面刷新，同時(shí)還根據(jù)指令參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的子程序。從圖5可以看出射頻信號(hào)接收處理、低頻信號(hào)發(fā)送、USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3個(gè)子程序依賴于STemWin界面顯示任務(wù)為其提供的程序運(yùn)行環(huán)境，而FatFS文件系統(tǒng)則為數(shù)據(jù)的讀寫提供了支持。

3.1 信號(hào)接收模塊程序設(shè)計(jì)

射頻接收模塊的初始化在系統(tǒng)上電之后完成，系統(tǒng)正常工作時(shí)完成數(shù)據(jù)包的接收后就會(huì)進(jìn)入硬件中斷對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)。在確保數(shù)據(jù)的正確性后，由程序釋放信號(hào)量，此時(shí)上層程序模塊獲取信號(hào)量，從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)行態(tài)隨即對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析，最后通過STemWin將數(shù)據(jù)顯示到屏幕上供用戶查看。數(shù)據(jù)接收流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收子程序流程圖

3.2 低頻發(fā)送模塊程序設(shè)計(jì)

低頻信號(hào)通過串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生，其傳輸比特率為3 906 bit/s，載波頻率為125 kHz，采用開關(guān)鍵控調(diào)制，曼徹斯特編碼?；鶐盘?hào)的產(chǎn)生由程序控制完成，微控制器引腳按編碼規(guī)則和電路諧振條件輸出方波，部分?jǐn)?shù)據(jù)位的編碼波形示意圖如圖7所示，編碼波形頻譜如圖8所示，可見頻譜分布滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 單極性曼徹斯特編碼波形

圖8 低頻信號(hào)頻譜

3.3 主要驅(qū)動(dòng)程序編寫

3.3.1 液晶屏驅(qū)動(dòng)

非直接訪問型LCD驅(qū)動(dòng)文件的編寫內(nèi)容包括基本的描點(diǎn)、畫線、繪制圖像等功能函數(shù)，LCD_X_Config和LCD_X_DisplayDriver函數(shù)用于建立STemWin和液晶屏板級(jí)驅(qū)動(dòng)間的聯(lián)系。GUIConf.c和GUI_X_FreeRTOS.c文件分別用于提供界面內(nèi)存管理和操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)接口[10]。

3.3.2 文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)

FatFs是一款開源的文件系統(tǒng)模塊，支持多卷、多種扇區(qū)大小，并且支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，當(dāng)使用扇區(qū)對(duì)齊的方式進(jìn)行讀寫訪問時(shí)，可以有效提高讀寫效率[11]。本設(shè)計(jì)中FATFS操作的存儲(chǔ)對(duì)象是SPI Flash，該存儲(chǔ)芯片內(nèi)部有128個(gè)塊，每個(gè)塊包含16個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)大小4 KB，總?cè)萘繛? MB。

文件系統(tǒng)的功能裁剪配置均在ffconf.h文件中完成。在diskio.c文件中對(duì)底層驅(qū)動(dòng)編寫，需要完成disk_status，disk_initialize，disk_read，disk_write，disk_ioctl，get_fattime 6個(gè)接口函數(shù)。當(dāng)使能FATFS模塊的可重入功能時(shí)，需在ffsystem.c文件中編寫與所使用操作系統(tǒng)相關(guān)的信號(hào)量管理函數(shù)，實(shí)現(xiàn)互斥信號(hào)量的創(chuàng)建、刪除、釋放、獲取功能。

3.3.3 USB驅(qū)動(dòng)

手持設(shè)備采用USB連接PC主機(jī)能方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，無需復(fù)雜的外圍硬件電路設(shè)計(jì)，利用STM32F103微控制器上集成的USB2.0外設(shè)并編寫相關(guān)驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)該功能。USB協(xié)議定義了層層包含的多種描述符，最上層的為設(shè)備描述符，依次為配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符以及字符串描述符等其他描述符[12]。這些描述符為USB主機(jī)提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘畔?。在usb_desc.c文件中完成大容量存儲(chǔ)設(shè)備不同描述符基本信息的配置，主要描述符的詳細(xì)配置說明如表1所示。USB數(shù)據(jù)的收發(fā)則通過端點(diǎn)完成，在usb_conf.h文件中為USB大容量設(shè)備設(shè)置2個(gè)批量傳輸端點(diǎn)，一個(gè)控制端點(diǎn)，mass_mal.c文件中編寫的SPI Flash底層讀寫驅(qū)動(dòng)則供USB批量傳輸端點(diǎn)讀寫時(shí)調(diào)用。

表1 USB描述符說明

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證手持設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)情況和設(shè)計(jì)方案的可行性，首先使胎壓傳感模塊上電之后處于低速發(fā)送模式，然后通過手持設(shè)備上的喚醒按鈕發(fā)送低頻信號(hào)將其設(shè)置為每s發(fā)送1次數(shù)據(jù)，手持設(shè)備顯示接收到的數(shù)據(jù)即可驗(yàn)證其雙向通信的有效性。通過在不同距離下對(duì)傳感器低頻喚醒，當(dāng)?shù)皖l模塊采用5 V電壓工作時(shí)測(cè)量到的喚醒距離始終維持在40 cm左右，因此在使用該設(shè)備時(shí)不會(huì)對(duì)其他較遠(yuǎn)距離處的傳感器造成誤喚醒。輪胎位置編號(hào)可根據(jù)每個(gè)胎壓傳感模塊唯一的ID和實(shí)際安裝位置靈活分配。胎壓傳感模塊在被分配到輪位編號(hào)后便存儲(chǔ)到芯片內(nèi)部，同時(shí)也將本身的ID和輪位編號(hào)一起發(fā)送給接收設(shè)備，數(shù)據(jù)接收端根據(jù)不同的輪位編號(hào)即可判端胎壓傳感模塊的安裝位置，通過手持設(shè)備上顯示的輪位編號(hào)則可以判斷此前的設(shè)置是否成功，最終實(shí)現(xiàn)輪胎定位功能。測(cè)試設(shè)備如圖9所示，其中標(biāo)識(shí)1處為胎壓傳感模塊，標(biāo)識(shí)2處為手持設(shè)備。測(cè)試結(jié)果如圖10所示，基于STemWin的人機(jī)交互界面顯示了在室內(nèi)環(huán)境下從胎壓傳感器獲取到的相關(guān)參數(shù)。

圖9 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖10 測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試手持設(shè)備和傳感器之間的射頻通信質(zhì)量，通過手持設(shè)備喚醒胎壓傳感器后，手持設(shè)備進(jìn)入數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)并每20 min統(tǒng)計(jì)1次該時(shí)間段內(nèi)的丟包率，5 h內(nèi)的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示，丟包率始終保持在2%以下，具有良好的接收性能。

圖11 丟包率測(cè)試

5 結(jié)束語

使用該手持設(shè)備可提高胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在多輪胎情況下安裝的便捷性，適用于單個(gè)傳感器更換時(shí)輪胎定位及輪胎換位時(shí)所有輪胎的重新定位。全文完成了手持終端的總體設(shè)計(jì)，對(duì)重要的應(yīng)用電路進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，軟件框架和主要驅(qū)動(dòng)的編寫也一并做了詳細(xì)的分析。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)備滿足實(shí)際操作要求，具有廣泛的應(yīng)用前景，同時(shí)也可供其他嵌入式無線類設(shè)計(jì)參考。