基于ARM9的智能轮胎安全系统

基于ARM9的智能轮胎安全系统的设计钱平信号与信息处理[摘要]轮胎的突然爆炸通常会引起严重的交通事故，威胁着驾驶员的安全。面对这个问题有必要来研究轮胎的安全系统。系统的软件组成与软件设计都是来监测轮胎压力。整个系统由一个主机模块和四个无线传感模块组成。这四个无线传感器安装在轮胎上，实时监测压力和温度并把数据通过无线模块送到主机模块MC68HC908RF2。主要以MC33594来接收数据，并利用CPUS3C2440为处理数据。一旦轮胎压力出现异常的高或低，或者泄露，还有温度过于高，都会被监测到通过转换为可见的信号来提醒司机，来避免严重的交通事故。[关键词]传感器MPXY8020AMC68HC908RF2ARM9S3C2440MC33594一、引言根据美国国家交通安全管理局估计每年大约有23000交通事故与500起致事故都是由于轮胎的压力不足引起的。保持适合的轮胎压力能降低油耗，如果压力高于标准的10%或低于标准的30%。如果压力过高，摩擦力减小而油耗增加。此外，轮胎状态与温度有直接联系，温度越高轮胎力量减弱，而且变化时很大的。通常情况下，温度不能超过80，如果达到95是很危险的，而且每升高1轮胎损耗增加2%。速度增加两倍轮胎寿命为原来的一半。标准胎压状态的概率有利于减少事故威胁生命,车轮爆胎时,增进燃料效益、延长使用寿命,提高轮胎的驾驶执照及车辆的安全性能。智能轮胎安全型设计了系统可以帮助司机掌握汽车轮胎的精确,也可以为泄漏,超压型或低压和异常温度条件,确保车辆驾驶稳定性,避免严重事故由于突然当车辆车轮爆胎时,高速运转。二、系统组成目前有两种胎压监测系统，一种是间接法，用轮胎速度传感器来监测，不同的轮胎速度来监测胎压。这种方法的缺点在于当速度超过100km/h时就很难监测了。另一种是直接的方式胎压监测系统,使用安装在压力传感器测压轮胎轮胎,通过无线传感模块吧数据传送到汽车驾驶室操作平台。型智能轮胎安全监测系。使用直接的方式由四个监控模块,以及一个主模块。图1是系统的组成图。图1胎压监测模块与传感器和无线射频安装在轮胎,负责监测轮胎和压和温度。通过射频系统结构传送数据给主模块。而组模块，射频接收机，声光报警器和液晶显示模块都安装在驾驶室操作盘附近。射频接收机从四个轮胎压力监测模块获得数据。然后在液晶显示模块上显示压力和温度，使驾驶员可以实时掌握每个轮胎的状态。主模块发出声光信号警告司机做出相应的措施,以确保驾驶的车辆稳定性。三、轮胎监测轮胎的胎压监测系统是由传感器MPXY8020A和MC68HC908RF2组成的。轮胎传感器MPXY8020A负责监测轮胎压力和温度,输出信号。MC68HC908RF2控制器对轮胎的监控模块负责从轮胎传感器收集信号和传输数据到住接收器。从整体来看,轮胎监控模块设计规模小、功耗底。图2是胎压监测模块。图2MC68HC908RF2芯片简介MC68HC908RF2[3]微控制器是FREESCALE公司生产的一款低成本、高性能的8位微控制器单元(MCU)，它是M68HC08家族中的成员之一，采用了增强型M68HC08主机处理单元(CPU08)，适用于多种模式、存储尺寸和类型。这款MCU产品经过优化，实现了低功耗运行，采用小型的32针脚小外形四方扁平封装(LQFP)，该封装由两部分组成，第一部分是2KBFlashHC08MCU(部件编号MC68HC908RK2)；第二部分是射频转发器(部件编号MC33493)，在自由空间中能将数据传输几百米，适用于汽车胎压监测系统。MC68HC908RF2的主要特性如下：(1)高性能的M68HC08体系结构。(2)完全向上兼容M6508、M146805和M68HC05系列的对象代码。(3)在3.3V供电时的最大内部总线频率为4MHz。(4)2KB的片上FLASH存储器，128B的片上RAM。(5)16位的2通道定时器接口模块(TIM)。(6)12个通用I/O口，带键盘唤醒功能的6位键盘中断。(7)1个内置的高频发射模块UHF(MC33493模块)。(8)较宽的工作温度范围：-40°C～＋125°C。传感器MPXY8020A简介1MPXY8020A的特征MPXY8020A内部集成了压力和温度传感器、SPI串行数据接口、DAC数/模转换器、模拟值比较电路、待机唤醒电路等。它具有检测0kPa～637kPa压力和－40℃～125℃温度的能力。该器件有8个引脚，如图所示。其中DATA、CLK引脚用于外接MCU的串行数据输入，即SPI接口；OUT引脚具有双重功能，当处于测量方式时，OUT端是比较器输出，用于检测逐次逼近的结果；RST为复位引脚；VDD、VSS是正负电源；S1、S0引脚用于控制其操作模式，通过S1、S0的组合可以有以下4种工作方式：图3S1S0工作方式00空闲/复位01压力测量10温度测量11数据输出2压力和温度数据的读取获取MPXY8020A传感器压力和温度数据的方法有逐次逼近法和报警值检查法。逐次逼近法能够获得8位精确的转换结果，但需要较长的转换时间和消耗较多的电能。报警值检查法就是预先设置一个压力和温度的报警值，然后监测OUT引脚的电平来确定压力和温度值是否超过报警值，这是一种低功耗模式，在不需要知道准确的压力/温度值时，可采用这种工作方式。逐次逼近法的程序设计MPXY8020A传感器利用外部的MCU作为逐次逼近程序的控制器，MCU将猜测值通过SPI接口串行地发送到传感器的数/模转换寄存器DAR，参考图4所示。器件内数/模转换器将此猜测值变为模拟值，并与待测的压力值比较，得到OUT值。通过OUT值可知预测的偏差，经过64个时钟周期完成一次完整的转换。例如：第一次猜测值为128，如果检测OUT脚为高电平，则说明压力值大于128，MCU通过SPI再送入192，检测OUT脚的状态，如果这次OUT脚是低电平，说明压力在128和192之间，重复这样的过程，直到逼近近似值。整个过程类似对分搜索，首先，取全量程值的一半作为第一个猜测值，并送入数/模转换寄存器，然后监测传感器OUT引脚的输出状态，若OUT引脚的输出为“低”，说明猜测值太大或者和取样值接近，若OUT引脚的输出保持“高”，则说明推测值太小。转换结果寄存器作为一个变量由MCU实时修改，如果猜测值太小，结果寄存器的最低位置“1”，如果猜测值太大，则结果寄存器的最低位置“0”，用新的猜测值继续逼近，直到得到最终结果。四、主机模块主机模块主要由处理器S3C2440，接收机模块MC33594，LCD，声光报警模块组成。S3C2440处理器不仅具有强大的数据处理能力，能兼容目前大多数常用外设，而且有相当理想的技术支持，选用此款处理器能较好的满足系统视频采集传输要求，并降低了系统开发的难度，缩短了开发周期。这些数据是MC33594的接收器可以收到数据来自4个轮胎监控模块的接口和沟通S3C2440和SPI相互作用问题。LCD显示各个轮胎的状况，包括压力和温度，提供了一个很好的人机界面。报警模块能警告司机注意轮胎的状态。如果突然出现问题，当车在高速行驶时，会发出警报，令司机做出相应的行动来避免车祸的发生。图4S3C2440处理器简介S3C2440微处理器是Samsung公司已ARM为架构所推出的ARM920T的为处理器核心。S3C2440微处理器基本特性：(1)拥有16K的资料快取和16K的指令快取，MMU快取。(2)固定的32位速算码宽度，降低编码数量所产生的消耗。(3)大多均为一个时间脉冲周期执行。(4)强大的索引定址模式。(5)精简，且快速的中断子系统，具有可切换的暂存器组。(6)支持ARM处理器16位（Thumb）指令模式。S3C2440微处理器优点：(1)32位ARM920T核心，工作频率为499MHz。(2)内部PLL产生400-533MHzCPU内核工作频率，。(3)核心电压为1.3V，低功率消耗。(4)采用AMBA，使用0.13微米的CMOS制造技术和MemoryCompile。(5)可适用于PDA，卫星导航等产品。MC33594简介与应用MC33594是与MC33493相对应的单片集成PLL调谐UHF数据接收器。该芯片内含660kHz的中频带通滤波器、完整的压控振荡器（VCO）、可消除镜像的混频器、曼彻斯特编码时钟再生电路以及完整的SPI接口，可用于设计315MHz/434MHz的OOK/FSK接收电路[22]。MC33594芯片内部结构可分为射频部分和控制部分。射频部分由能消除镜像干扰的混频器、660kHz的中频带通滤波器、自动增益控制级和OOK/FSK解调器组成；控制部分则包含有数据管理器、配置寄存器、串行接口、状态控制器等。MC33594的串行接口采用Motorola公司开发的三线制SPI（SerialPeripheralInterface）串行外部接口总线协议。通过SPI接口可对UHF接收器的数据解调类型、数据率、UHF频段、ID控制字等进行初始化编程，接收到的数据也可以在数据管理器工作时从SPI端口输出。MC33594与微控制器之间的通信一般通过SPI进行，其SPI接口通过以下三个输入/输出引脚来实现操作：串行时钟SCLK；主控输出受控输入MOSI；主控输入受控输出MISO[23]。微控制器可通过引脚STROBE选通MC33594，也可让MC33594内部工作在等待休眠循环模式下来降低功耗，在引脚STROBE上加高电平就能将处于休眠状态的MC33594激活。当接收电路工作在315MHz频段时，应选择9.864375MHz晶振；工作在434MHz时，选13.580625MHz的晶振。报警系统电路图有一个基本的警报声电路,丰富了CPUS3C2440,它是易于扩充蜂鸣器做,可让的多种频率的声音。图5所示的电路警报声。图5五、软件设计软件设计是建立在硬件设计,实现特征的重要部分,包括通信协议的情况下,数据格式,方案设计胎压监测终端和主机模块。数据格式协议该系统采用曼彻斯特编码和FSK方式来传输资料。速率为9600bps。曼彻斯特编码使用“0”表示高电压到低电压，使用“1”表示低电压到高电压。它用两种不同的频率来表示高低电压信号，通过FSK用“1”表示低频率，“0”表示高频率。当轮胎监测模块设置为数据传输状态时，第一时间触发数据接收机，最后处于休眠状态。对于传输和接收数据定义统一的数据格式协议是非常必要的。数据结构设备ID前缀压力温度状态检验位停止位位数32bits16bits8bits8bits8bits8bits2bits轮胎监测模块程序设计一开电源，RF2开始工作，传感器初始化工作在待命状态。在这个工作模式中传感器的OUTpin输出电压下降沿，然后进入停止模式。RF2每3秒被唤醒一次，禁止中断，获得轮胎压力和温度值，曼切斯特编码后输出，之后允许中断，使传感器进入待命状态。同时，RF2进入停止状态。一旦电源电压低于预设，在这种情况下只有送低电压到signalpin。RF2初始化停止模式禁止关键中断读压力和温度建立数据结构休眠3秒输出主程序设计流程图MC33592初始化是否接收到数据检查和编码轮胎是否正常显示轮胎状态警报是是否否六、总结智能轮胎安全检测系统可以直接型胎压和温度,并找出隐患采取有效措施,并确保稳定性驾驶的车辆轮胎表现出异常症状,特别是当的交通工具是高速运转。它是很容易的扩展，S3C2440丰富的资源。例如汽车电话，GPS导航，视频雷达和汽车多媒体，只要增加些硬件，驱动程序和应用程序，就能实现这些功能。