唐衛(wèi)斌

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，商洛 726000）

引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)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(jù)相關(guān)統(tǒng)計，在未來的幾年甚至幾十年汽車的年產(chǎn)銷量將呈現(xiàn)持續(xù)增長的姿態(tài)，伴隨著這種大量增長的勢頭，汽車行駛出現(xiàn)的安全隱患問題接踵而至，是當(dāng)今社會關(guān)注的焦點。

輪胎是支撐車體重量、驅(qū)動、傳遞和牽引力、制動力導(dǎo)向，保證車輛與地面的附著性的重要零件。全球每年發(fā)生的汽車交通事故中，死亡人數(shù)高達(dá)50萬人，其中輪胎爆胎引發(fā)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(jiān)控是保證輪胎安全的重要技術(shù)[2]。傳統(tǒng)的汽車輪胎其強度信號監(jiān)控方法受到汽車行駛距離的影響，距離越遠(yuǎn)，安裝在汽車輪胎的監(jiān)控子節(jié)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(tǒng)的汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控研究，利用嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的無線傳輸，以此解決傳統(tǒng)方法中存在的問題。

1 基于嵌入式系統(tǒng)的汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控方法設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)是一種嵌入在受控器件內(nèi)部，針對特定任務(wù)而設(shè)計的計算機系統(tǒng)[3]。在汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控方法設(shè)計中，將不同功能的芯片安裝在汽車輪胎內(nèi)部，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)達(dá)到監(jiān)控輪胎氣壓強度信號的目的。

1.1 監(jiān)控子節(jié)點傳感器設(shè)計

監(jiān)控子節(jié)點是整個汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控的發(fā)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(jù)上述需求，選擇SP370作為監(jiān)控子節(jié)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(jiān)控子節(jié)點安裝在汽車輪胎內(nèi)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(shè)計

根據(jù)實際的汽車環(huán)境、輪胎氣壓強度信號的采集手段，監(jiān)控中的各個模塊間無法通過有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，設(shè)計無線射頻傳輸功能，通過無線射頻傳輸方式實現(xiàn)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(nèi)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(jié)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(zhì)量。晶振的頻率同接收載波的頻率的關(guān)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(fù)責(zé)連接低通濾波器，用于ASK數(shù)據(jù)的解調(diào)[6]。MAX1471內(nèi)部的寄存器的讀寫控制通過微控制器連接SCLK、CS和DIO實現(xiàn)[7]。

ADATA引腳置于高位，表示接收的是ASK解調(diào)數(shù)據(jù)。ASK接收數(shù)據(jù)是利用二進(jìn)制數(shù)1和0控制載波的通斷，其目的是在載波在數(shù)據(jù)信號1的狀態(tài)下，傳輸信道傳送載波；在數(shù)字信號0的狀態(tài)下，傳輸信道終端載波傳送。傳輸?shù)妮d波信號如下：

FDATA置于高位，表示接收的是FSK解調(diào)數(shù)據(jù)。FSK是利用數(shù)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(dá)式為：

式中：

Fm—采樣信號；

t—周期；

ω—頻率；

ψ—幅度；

f1(t)—數(shù)字信號為1時的FSK解調(diào)數(shù)據(jù)；

f2(t)—數(shù)字信號為0時的FSK解調(diào)數(shù)據(jù)[8]。

接收信號環(huán)節(jié)主要通過與微控制器連接的引腳，進(jìn)而對MAX1471內(nèi)部期存器進(jìn)行讀寫，實現(xiàn)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(jiān)控子節(jié)點傳輸?shù)钠囕喬鈮簭姸刃盘?，此時監(jiān)控到的信號是模擬信息，設(shè)計A/D信號采樣轉(zhuǎn)換功能，將模擬信息轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字信息，通過監(jiān)控顯示模塊展示在用戶面前。

1.3 A/D信號采樣轉(zhuǎn)換設(shè)計

使用12位的ADC進(jìn)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(guān)和采樣保持電路

ADC12的內(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換過程中，所需要的時鐘信號源可以選擇，轉(zhuǎn)換結(jié)果由專門的桶形緩沖[9]。

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

單通道單次轉(zhuǎn)換主要通過轉(zhuǎn)換存儲控制寄存器，設(shè)置汽車輪胎氣壓強度信號模數(shù)轉(zhuǎn)換的通道和范圍，使用設(shè)置的通道完成一次采樣和轉(zhuǎn)換后，使用ENC復(fù)位和置位，為下一次任務(wù)做準(zhǔn)備。單通道多次轉(zhuǎn)換，使用設(shè)定的通道進(jìn)行多次任務(wù)，直到達(dá)到用戶設(shè)置的條件，停止任務(wù)。使用單通道相關(guān)轉(zhuǎn)換模式，在每次任務(wù)完成后，轉(zhuǎn)換的結(jié)果存放在ADC12中[11]。

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

在實際輪胎氣壓強度監(jiān)控中，改變轉(zhuǎn)換模式不需要停止當(dāng)前轉(zhuǎn)換，直接切換模式后，當(dāng)前轉(zhuǎn)換任務(wù)完成后，轉(zhuǎn)換后的模式直接生效。轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)字信號傳輸至監(jiān)控顯示模塊，顯示在用戶面前。

1.4 監(jiān)控顯示設(shè)計

通過S3C2440 LCD控制器控制TEL LCD，將監(jiān)控的汽車輪胎氣壓強度顯示在LCD上。將LCD設(shè)備注冊到監(jiān)控設(shè)備中，定義LCD平臺設(shè)備的各種資源，分配info結(jié)構(gòu)體空間，初始化結(jié)構(gòu)體中的各項參數(shù)和LCD控制器，申請幀緩沖設(shè)別的顯示緩沖區(qū)空間，注冊info，實現(xiàn)對LCD顯示模式進(jìn)行設(shè)定的硬件接口函數(shù)[12]。

注冊完成后，初始化MMU，設(shè)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(jiān)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(jiān)控數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)使能信號共同工作作用的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，提供人機交互功能，實現(xiàn)實時接收、處理并顯示輪胎氣壓強度信號。監(jiān)控結(jié)果顯示在用戶面前的同時，當(dāng)輪胎氣壓強度超過預(yù)設(shè)的極限值時，通過報警模塊，為用戶提供聲光預(yù)警。聲光報警模塊選擇8路LED發(fā)光管作為對應(yīng)的輪胎位置、高低壓提示燈，蜂鳴器作為聲音預(yù)警[13]。

至此，基于嵌入式系統(tǒng)的汽車輪胎氣壓強度監(jiān)控方法設(shè)計完成。

2 汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控方法性能仿真測試

2.1 測試環(huán)境

在汽車輪胎壓強信號監(jiān)控方法仿真測試中，采用標(biāo)準(zhǔn)C編程，選用CodeWarrior編輯環(huán)境，無縫連接AXD Debugger調(diào)試器。

為了保證在測試過程中，嵌入式系統(tǒng)上電或復(fù)位時，首先加載運行Boot Loader程序，將內(nèi)存地址存放在Flash中的0x00000000處。系統(tǒng)上電后，在ADS中編譯程序，使用Boot Loader程序，跟操作系統(tǒng)內(nèi)核一起編譯，燒寫進(jìn)Flash。ADS調(diào)試設(shè)置圖如圖5所示。

將Image entry point設(shè)置為0xc0080000，勾選Output local symb，完成后，文件內(nèi)生成可執(zhí)行的bin文件，成功燒寫至目標(biāo)板的Flash中。

2.2 軟件調(diào)試

在ADS環(huán)境下編寫汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控執(zhí)行代碼，反復(fù)調(diào)試無誤后，下載至flash中運行。按照從局部到整體調(diào)試整個測試過程所需的軟硬件。

加載不涉及任何外設(shè)的簡單多任務(wù)的應(yīng)用程序，調(diào)試開發(fā)板運行情況，復(fù)位引導(dǎo)代碼運行情況，多任務(wù)程序運行結(jié)果。

分別調(diào)試SPI數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)、中斷服務(wù)任務(wù)和數(shù)據(jù)顯示任務(wù)，直至輸出正確結(jié)果。加載編寫的所有執(zhí)行功能的程序到硬件部分，調(diào)試程序，測試汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控方法的基本功能，如低壓報警、高壓報警或高溫報警等，調(diào)試結(jié)果顯示，各個環(huán)節(jié)功能執(zhí)行正常，穩(wěn)定可靠，可進(jìn)行后續(xù)測試。

2.3 功耗測試及結(jié)果分析

圖4 LCD監(jiān)控顯示工作原理圖

圖5 ADS調(diào)試設(shè)置圖

測試安裝在汽車輪胎內(nèi)部的監(jiān)控子節(jié)點在正常監(jiān)控過程中功耗情況，以此判斷監(jiān)控子節(jié)點的使用壽命。使用基于嵌入式系統(tǒng)的汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控方法測試的同時，使用傳統(tǒng)的基于WSN的監(jiān)控方法，在相同的條件下，測試汽車側(cè)輪胎監(jiān)控子節(jié)在休眠狀態(tài)耗電和正常工作狀態(tài)下的狀態(tài)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(jiān)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(shè)置為4 s一次，第一次喚醒設(shè)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(tài)下測量結(jié)果如表2和表3所示。表2中顯示休眠狀態(tài)下，電流電量最大消耗值為1.7，不同狀態(tài)下測量結(jié)果分別為1.56、0.95、1.5和0.5；表3中顯示休眠狀態(tài)下，電流電量最大消耗值為0.9，不同狀態(tài)下消耗情況分別為0.81、0.77、0.93、0.3；對比觀察兩組數(shù)據(jù)，明顯能夠看出表3中結(jié)果低于表2中結(jié)果，假設(shè)一次監(jiān)控子節(jié)點一次完整的工作需要時間為4 s，取各種狀態(tài)下所消耗電量的最大值，經(jīng)計算得出，使用傳統(tǒng)的監(jiān)控方法，監(jiān)控子節(jié)點的使用壽命4.96年，使用設(shè)計的監(jiān)控方法，監(jiān)控子節(jié)點的使用壽命為8.23年，兩者相比，設(shè)計的基于嵌入式系統(tǒng)的汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控方法優(yōu)于傳統(tǒng)的監(jiān)控方法。

表2 傳統(tǒng)的監(jiān)控方法子節(jié)點電流及電量消耗情況

表3 設(shè)計的監(jiān)控方法子節(jié)點電流及電量消耗情況

3 結(jié)束語

近年來汽車安全問題受到廣泛關(guān)注，監(jiān)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(tǒng)的汽車輪胎氣壓強度信號監(jiān)控研究，通過設(shè)計的對比測試證明了設(shè)計的監(jiān)控方法，通過嵌入式系統(tǒng)的引用，解決了傳統(tǒng)的監(jiān)控方法中存在的監(jiān)控子節(jié)點工作壽命短的問題。