摘 要: 汽車胎壓監測系統(TPMS)被譽為新一代汽車高科技安全配備用品。針對當前汽車胎壓監測系統（TPMS）不能全天候監測輪胎狀況以及車輛不能進行遠程報警的問題，提出了一種基于nRF9E和GSM模塊的新型胎壓監測系統的設計方案。介紹了系統的總體結構，從軟硬件兩方面描述了系統的設計實現方法，重點描述了系統的低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" 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title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" 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title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計" title="低功耗設計">低功耗設計和按鍵顯示輪胎定位的方法。該系統不僅能夠實時監測輪胎狀況，對異常情況進行報警提示，并能通過GSM模塊通信通知車主,而且具有車載CAN網絡接口，在低功耗、可靠性以及安全性方面具有一定優勢。
　　關鍵詞：TPMS；nRF9E；輪胎定位；GSM；實時監測

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　　隨著我國汽車工業的發展和人民生活水平的提高，汽車越來越多地進入普通家庭，汽車的安全防盜性能也越來越為人們所重視。在汽車高速行駛過程中,輪胎故障是突發性交通事故的重要原因。據統計,在高速公路上發生的交通事故中約有70%是由爆胎引起的^[1]。而保持標準的車胎氣壓行駛和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵,因此對汽車輪胎壓力、溫度等參數的監控是安全駕駛的重要保障。開發和研究汽車輪胎壓力監測系統TPMS(Tire Pressure Monitoring System)是確保行車安全的有效技術措施,也是當前值得研究的重要課題。本文研究的汽車胎壓監測系統，不僅能夠解決目前的汽車胎壓檢測系統不能全天候檢測輪胎狀況和車輛不能進行遠程報警的問題，而且低投入、高效率的特性使其具有較好的使用價值和廣闊的市場前景。
1 系統的總體設計
1.1 系統的總體結構
　　系統的總體結構框圖如圖1所示。系統主要由輪胎檢測模塊、無線接收模塊、人機交互模塊和GSM模塊組成。輪胎檢測模塊采用氣門嘴外置式安裝方法安裝在汽車的輪胎上，對輪胎的溫度、壓力電壓、加速度參數進行實時測量，并將測量的數據通過射頻（RF）通信接口發送，無線接收模塊接收到有效數據后，通過CAN通信接口將數據傳送到人機交互模塊來進行處理和顯示，如發現異常，及時報警提示。當車主遠離車輛時，如果車輛遭到非法破壞，啟動GSM模塊以短消息的形式將具體情況發送到車主手機，車主收到消息后，可及時采取防范措施。更重要的是，由于系統使用GSM網絡作為系統通信的媒介，凡是GSM網絡能覆蓋的地方就能保證系統正常運行，所以系統基本不受距離的限制^[2]。

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1.2 輪胎定位功能的設計
　　系統輪胎檢測模塊定位功能設計的出發點是采用可靠、便捷、低成本的輪胎檢測模塊定位技術^[3]。本系統采用的是按鍵顯示輪胎定位技術，此方法最大好處在于完全利用已有的硬件資源，不需要添加任何其他的硬件設備，完全由軟件實現。定位時，可以同時設置報警閥值。
　　定位功能設計要考慮兩種情況:一是輪胎置換保養時的定位;二是當更換1個或同時更換2個及以上輪胎檢測模塊時的定位。輪胎置換保養時的定位非常容易實現,由于輪胎檢測模塊采用氣門嘴外置式安裝方式,當輪胎更換位置時,將模塊從輪胎氣門嘴卸下重新安裝到原來的位置即可,而當模塊損壞需要更換時,則通過將輪胎檢測模塊直接連到控制中心的顯示模塊上進行設置來實現,其具體步驟如下:
　　（1）將新的輪胎檢測模塊旋入顯示模塊的串口，中心模塊的LED亮表示可以進行定位設置;
　?。?）按設置鍵進入設置界面，通過移動鍵選擇輪胎定位設置進入設置界面，選擇定位位置時,相應的輪胎指示燈點亮，當按下確定鍵后,輪胎定位的位置已經確定，接著設置報警閥值，再次按下確認鍵后，顯示模塊便把此位置信息通過串口存儲到輪胎檢測模塊中,同時輪胎檢測模塊將自身的傳感器ID碼傳送到顯示模塊;
　?。?）旋出輪胎檢測模塊并安裝到相應的位置。
　　顯示模塊通過串口發送給輪胎檢測模塊的位置信息為簡單的二元編碼00、01、10和11,它們分別代表一個輪胎位置。這種有線的設置方式可靠性高,避免了無線方式的干擾問題,操作簡便,成本低。
1.3 系統的低功耗設計
　　系統的低功耗設計包括硬件和軟件設計兩個方面。硬件設計與元器件的選擇有關,而軟件設計則主要是采用高效的算法協調工作與睡眠模式的切換,以及各模塊間的通信連接及通信效率。
1.3.1 硬件低功耗設計與實現
　　在硬件的設計上,主要是選擇使用低功耗、具有睡眠模式的器件,并進行有效的電路設計。
　　(1)發射芯片的選擇與低功耗設計
　　考慮到模塊的體積，選擇MCU和發射芯片集成的器件nRF9E5,既能進一步降低PCB成本,又能降低各模塊間的通信能耗。nRF9E5是Nordic VLSI公司推出的系統級RF芯片，適用于汽車工業領域。它內置高性能增強型51單片機(4 clock)，單片機全速運行功耗1 mA@4M。工作電壓1.9～3.6 V，待機功耗2 μA，具有完全的低功耗設計，可以直接使用電池工作。它存在發送、接收、待機（空閑）和掉電（睡眠）4種狀態。從耗電情況來看，在發送狀態的能量消耗最大，典型電流為30 mA；接收狀態次之，典型電流為12.5 mA；待機狀態典型電流為32μA；而在掉電狀態下能量消耗最小，其典型電流為2.5μA^[5]。因此，提高通信效率、減少不必要的發送和接收，無需通信時盡快進入睡眠狀態是降低設備能耗的有效措施之一。另外，nRF9E5是一款發射功率可變的無線芯片，在保證通信質量的前提下，可以盡量降低信號的發射功率。信號發射功率的降低會使發送節點的功耗下降，可以節省能量。
　　(2)傳感器的選擇與低功耗設計
　　對于傳感器,需要選擇實時性高,穩定性強,具備喚醒功能的低功耗器件。本系統采用英飛凌公司的SP12多功能傳感器。該傳感器具有喚醒瞬態工作模式,即每6s輸出一個喚醒信號,每50 min輸出一個復位信號；工作在睡眠模式時,電流消耗僅0.6μA/s。該傳感器還集成有加速度傳感器模塊,利用加速度啟動喚醒機制。輪子轉速大,離心力大,離心加速度也大；反之,離心加速度小。當檢測到加速度很小時(表示汽車沒有運動),讓系統進入睡眠狀態；加速度比較大時,喚醒傳感器工作。由車輪轉速可計算出車輪轉動的角速度ω,其加速度(輪子轉動的離心加速度) a=ω²r(r為發射模塊相對于輪軸的距離)也可方便地測量出來。通過判斷加速度的大小,在程序中設定不同的測試時間間隔和發射數據時間間隔,可以有效地控制傳感器模塊與MCU的通信次數和通信速度,以便最大限度地節約電池損耗,延長電池的使用壽命^[6]。
　　(3)中央微處理器的選擇與節能設計
　　ATmega128是基于AVRRISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。它可由軟件配置成6種不同省電模式，而各種低功耗模式又可以通過中斷方式回到工作模式。利用ATmega128的這種特性通過編程，適當地對其設置；當沒有數據接收處理時，將MCU置于低功耗模式；而當有任務需要處理時，將它從低功耗模式下喚醒，進行工作；當工作完成以后重新進入低功耗模式，從而節約能量。
1.3.2 軟件低功耗設計與實現
　　系統軟件的低功耗設計是實現系統低功耗設計的另一個重要方面。軟件設計中，重要的是要充分保證模塊間通信的可靠性,模塊的穩定性和各模塊的協調性。
　　在輪胎檢測模塊中，利用喚醒和加速度傳感器相結合的方法來實現低功耗設計。由于汽車大部分時間處于靜止狀態,讓系統進入休眠模式可以極大地延長電池使用壽命。輪胎檢測模塊從休眠模式轉為工作模式可以通過傳感器SP12的wakeup信號實現。當測試的加速度為0時，說明汽車處于停止狀態，模塊進入休眠狀態，當喚醒5次的時候，再次測試加速度若加速度還為0，測試氣壓，如果氣壓正常,進入休眠模式；如果氣壓異常，說明輪胎遭到破壞，繼續測試其他參數等待發射;當加速度大于0并且大于設定的閥值時，汽車處于高速運行狀態，每隔1 s測量一次輪胎的參數，當加速度小于設定的閥值時，汽車處于低速行駛狀態，以較長時間間隔測試輪胎的參數。
　　由于射頻信號的發射功耗是胎壓檢測模塊電量消耗最多的部分。為了有效減少能耗，當汽車進入行駛狀態時，通過檢測壓力來決定發送輪胎信息的頻率。當測量的壓力值正常時，較長時間發射數據一次；由于汽車的工作環境復雜多變，采集到的信號有可能出現尖峰毛刺現象，特別是輪胎壓力信號。因此，當壓力值超標時，為了防止誤報警，采取中值濾波的方法來確認壓力值，若確實超標，進入快速發送模式，立即發射數據，接收到返回的確認信號后，進入待機模式，等待下一次的喚醒。
　　同樣，中央控制器采取中斷方式操作，當有有效數據顯示時，中斷喚醒MCU進行數據處理并顯示，完成之后，繼續進入省電模式，等待下一次的喚醒。
2 系統的硬件實現
　　輪胎檢測模塊采用鋰亞電池供電，SP12的喚醒信號向單片機提供外部中斷,定時喚醒單片機工作。通過SPI接口與nRF9E5實現信號的采集與傳輸。其電路框圖如圖2所示。

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　　其中，狀態字節前6位分別用于確認壓力、溫度、電壓值是否超標、是否報警提示和啟動GSM通信，剩余的2位用來確認輪胎位置，加上前面的輪胎ID確認，提高了系統的可靠性。
3.2 輪胎檢測模塊流程
　　整個模塊流程如圖3所示。當汽車靜止時，傳感器每隔一段時間測試輪胎的壓力參數，如果氣壓正常，不發送數據，待機一段時間后繼續測試；如果氣壓異常，即輪胎遭到破壞時，數據采集后立即發送，所以，在靜止時，nRF9E5大部分時間處于待機模式；當汽車進入行駛狀態時，通過檢測輪胎的氣壓來決定發送輪胎信息的頻率。當測量的壓力值正常時，每1 min發送一次數據；當壓力值超標時，進入快速發送模式，立即發送數據，當接收到返回的確認幀信號后進入休眠模式，否則，一直重發數據。

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　　當中央監控模塊接收到有效數據后進行處理顯示，如數據異常，進行報警。當汽車遭到破壞而車主遠離車輛時，報警并啟動GSM模塊通信，及時通知車主，以便車主同時采取防范措施。
　　本文所設計的汽車胎壓監測系統，不僅能全天候檢測輪胎狀況，進行遠程報警；而且整個系統在低功耗、穩定性以及安全性方面具有一定的優勢。系統提出的按鍵顯示輪胎定位方法，抗干擾性能高、操作簡便、成本低廉，具有很高的實用價值。另外,系統還具有CAN網絡接口,采用GSM網絡進行遠程防盜報警，符合未來汽車車載網絡發展和智能車輛研究的發展趨勢。

參考文獻
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