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基于SP37汽车胎压监测传感器研究毕业论文

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基于SP37汽车胎压监测传感器研究毕业论文基于SP37汽车胎压监测传感器研究毕业论文 河北工业大学2015届本科毕业论文 河 北 工 业 大 学 毕 业 论 文 作 者: 朱铭健 学 号: 113009 学 院: 控制科学与工程学院 系(专业): 自动化 题 目: 基于SP37汽车胎压监测传感器的设计及实现 指导者: 梁涛 教授 (姓 名) (专业技术职务) 评阅者: (姓 名) (专业技术职务) 2015年 6 月 2日 河北工业大学2015届本科毕业论文 毕业设计,论文,中文摘要 题目 基于SP37汽车胎压监测传感器的设计及实现 摘要: ...
基于SP37汽车胎压监测传感器研究毕业论文
基于SP37汽车胎压监测传感器研究毕业论文 河北工业大学2015届本科毕业论文 河 北 工 业 大 学 毕 业 论 文 作 者: 朱铭健 学 号: 113009 学 院: 控制科学与工程学院 系(专业): 自动化 题 目: 基于SP37汽车胎压监测传感器的设计及实现 指导者: 梁涛 教授 (姓 名) (专业技术职务) 评阅者: (姓 名) (专业技术职务) 2015年 6 月 2日 河北工业大学2015届本科毕业论文 毕业设计,论文,中文摘要 题目 基于SP37汽车胎压监测传感器的设计及实现 摘要: 随着汽车作为一种重要的交通工具在我国不断普及,道路安全问题也受到了人们的广泛关注。据统计,每年有相当部分的交通事故是由汽车胎压异常引起的。所以,如何有效地监测胎压异常并对驾驶者及时地警报成为了重要的研究课题。汽车胎压传感器作为汽车轮胎压力检测系统的重要组成部分,其性能会直接影响到整个系统的总体性能并进一步影响到驾驶者的安全。 本文首先介绍了胎压监测系统课题研究的相关背景和意义,然后介绍了SP37芯片以及开发SP37使用的编译软件,烧录器和烧录软件,接着介绍了传感器的外围电路和软件设计以及通信,最后提供了开发测试过程和结果以及传感器的精度和使用年限。 关键词: SP37 胎压监测 胎压传感器 TPMS 河北工业大学2015届本科毕业论文 毕业设计,论文,外文摘要 Title The Research Based on Tire Pressure Monitoring Sensor SP37 Abstract With the popularization of car as an important transport tool ,the issue of safety in the road has attracted far and wide attention. According to statistics,there are many traffic accidents every year, which are caused by abnormal change of tire pressure of cars.Thus,how to monitor the abnormal change of tire pressure efficiently and alert the driver timely has become an vital research subject. As an important portion of tire pressure monitoring system, the tire monitoring sensor’s performance has influence on the performance of the whole system and affect the safety of driver further. This paper introduce the background of tire monitoring sensor and its researching significance at first. Then,the paper introduce the chip SP37,the programming software,the programmer and the burner software.Next,the software design and the peripheral circuit design of sensor and the communicating protocol are introduced. Finally,the result and procedure of the development for the sensor and the precision and service life of it are mentioned. Keywords: SP37 Tire pressure monitor Tire pressure monitor sensor TPMS 河北工业大学2015届本科毕业论文 目 录 1 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 1.1 课题研究背景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2 国内外轮胎压力检测系统发展现状„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2.1 国外轮胎压力检测系统发展现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.2.2 国内轮胎压力检测系统发展现状„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.3 课题研究意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.4 课题主要实施内容,总体方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2 相关理论与系统介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.1 汽车轮胎压力检测系统概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.2 SP37芯片介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.3 相关软硬件工具介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.3.1 开发软件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.3.2 烧录器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 3 SP37传感器外围电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 3.1 硬件系统功能概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 3.2 硬件系统目标„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.3 硬件系统总体分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 3.3.1 低频接收电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 3.3.2 高频发射电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 3.3.3 系统工作电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 4 软件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.1 软件需求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.1.1 LF低频唤醒„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 4.1.2定时器唤醒„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 4.1.3初次上电或系统复位„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 4.2 程序图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 4.3 相关配置 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 5 开发过程及测试结果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 5.1 开发过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 5.2 测试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 5.3检测精度及使用年限„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 结论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 河北工业大学2015届本科毕业论文 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 附录A 部分程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 河北工业大学2015届本科毕业论文 1 绪论 轮胎压力监测系统(Tire Pressure Monitoring System,TPMS),是一种利用安装在汽车轮胎内的胎压监测传感器采集汽车轮胎压力、温度、加速度等数据,并将数据利用无线传输技术传送到驾驶室内的显示终端中,实时地显示以上相关数据,并在轮胎出现异常时对驾驶者进行预警的汽车主动安全系统。利用TPMS系统即可实现轮胎压力的有效监控,预防因汽车轮胎压力变化引起的事故的发生。 1(1 课题研究背景 随着社会生产力的不断提高,汽车正走入千家万户,由此引发的交通安全问题正不断引起人们的关注。与此同时,汽车电子正在蓬勃发展,很多在其他领域取得巨大成就的技术正被不断地移植到这个领域里,令其成为整个电子领域里的一个重要研究方向。由此可见,使用相关电子技术解决汽车安全问题将会成为未来汽车和电子行业研究的一个热门方向。 轮胎作为支撑汽车及其载重的重要部件,其性能优劣直接影响汽车的稳定性和安全性。当轮胎气压出现问题时,会给道路安全带来很大的隐患,甚至直接威胁驾驶者的财产和人身安全。统计表明:交通事故发生的主要原因是汽车在高速时发生爆胎事故。另据统计,在中国,轮胎故障造成了46%的高速事故,其中爆胎就占了事故总 [1]量的70%。 怎样有效对爆胎进行预警,已成为全球关注的重要问题。 1(2 国内外轮胎压力检测系统发展现状 如何对汽车胎压进行检测并对压力异常变化进行有效预警是一个全球性的问题,在TPMS发展过程中,部分西方国家处于汽车电子发展前列,他们的技术更为成熟,稳定。而对于我国而言,胎压检测系统的出现迟延许多年,因此在各个方面均处于高速发展阶段。随着科技的进步,我国的TPMS系统日趋成熟,同时不断改进技术,为汽车安全系数的提高做着努力。 1 河北工业大学2015届本科毕业论文 1.2.1 国外轮胎压力检测系统发展现状 TPMS首先是在美国提出,并制订了相关和法规推广其应用。其他国家也相继推出了自己的标准,欧盟于 2012 年,韩国和日本于 2013 年推出了TPMS相关的标准。由于国外推行 TPMS 系统较早,所以研发生产的 TPMS 系统也比较成熟,其主要的汽车零配件生产商如米其林集团也对TPMS 系统进行了深入的研究和大量的生[2]产。 1.2.2 国内轮胎压力检测系统发展现状 我国 TPMS 相关的内容最早在国家标准里面涉及到是在 2003 年 11 月 24 日发行的中华人民共和国的国家标准《机动车运行安全技术条件》(征求意见稿)。这标 [2]志着我国也由此开始重视 TPMS 系统。 目前我国汽车用户还没有完全意识到 TPMS 安装的必要性,国家也未出台相应的法规强制安装TPMS。但就长远来看,随着人们对该系统的不断了解,以及国家法律法规的日益完善,相信不久的将来就会颁布强制性安装TPMS系统的规定。对于重型卡车,规定强制安装汽车胎压监测系统是尤为重要且势在必行的。 目前国内研发的汽车胎压监测系统都是基于英飞凌或者飞思卡尔的相关芯片来设计研发的。为了拥有自己的知识产权,国内的一些研究机构和公司也开始参与研究生产TPMS系统,例如中山市铁将军汽车电子有限公司、深圳市棋港电子有限公司、 [2]上海泰好电子科技有限公司和佛山市朗杰电子科技有限公司等。 1(3 课题研究意义 随着我国汽车消费者安全意识的不断提高以及对TPMS系统了解的不断加深,不难预见到未来我国每一部汽车上面都会配备TPMS系统,而目前国外厂商长期霸占我国TPMS市场,为了让我国在未来的汽车电子领域占据一席之地,对TPMS进行研究已经刻不容缓。在汽车胎压监测系统中最重要的部件就是传感器。传感器肩负着检测温度,压力,加速度和电池电量的作用,同时,还具有高频发送和低频接收的功能,传感器的相关研究直接决定了TPMS能否长期有效稳定运行。因此,对TPMS系统中的传感器进行研究显得尤为重要。 1(4 课题主要实施内容,总体方案 本课题主要以英飞凌公司生产的SP37芯片为核心,设计汽车胎压监测传感器,构建外围电路以配合SP37芯片工作,并对芯片进行编程,使芯片监测到的参数能够 2 河北工业大学2015届本科毕业论文 传送给学习机或胎压显示器。SP37芯片内部集成了运动检测,压力检测,温度检测,电压监测,处理器,低频和高频模块。运动检测模块主要负责加速度的监测,据此计算出汽车速度。压力检测用于测量汽车胎内压力,温度检测用于测量汽车胎内温度,电压检测可以检测供电电池电压,低频部分要接收125KHZ低频数据,高频部分发送 [3]433.92MHZ高频数据,处理器按照编程指示的算法协调各部分工作。 经过仔细规划,本次传感器设计的总体实施如下: 1.了解SP37芯片的使用方式,详细阅读英飞凌公司相关产品说明。 2.了解SP37烧写器使用方法。 3.设计制作SP37电路板,搭建SP37工作环境。 4、在深入了解TPMS的相关通讯协议后,对SP37芯片进行编程,并利用烧写器把程序烧写进芯片,然后进行调试 5、对该系统做简单总结,指出系统的创新点,同时指出系统存在的不足,针对第一版系统的不足进行相应的改良,提交第二版硬件电路并对相关程序进行优化。 2 相关理论与系统介绍 本课题的研究在理论方面首先要理解SP37汽车胎压监测传感器在整个TPMS系统中的作用,并协调好与系统其他部分的关系,制定好通信协议,其次要了解低频接收高频发送相关通信原理以及软件流程,最后要掌握使用 KEIL 软件进行 C语言编程和SP37芯片开发及运行的相关配置。 2.1 汽车轮胎压力检测系统概述 汽车胎压检测系统主要分为三大部分:胎压传感器,学习机,显示终端。三者的关系如图2.1。 3 河北工业大学2015届本科毕业论文 图2.1 胎压检测系统低频学习示意图 该图描述了学习机学习传感器发送的ID号后传送给显示器的过程,该过程由厂商或者汽车4S店的工作人员完成。低频学习设备和显示器详细对码过程如图2.2 轮胎充气 轮毂装胎 轮毂安 装发射 器 车身内连接插件车轮装车,对码工具依次将读码工具连 连接汽车安装接保证供电触发每个传感接汽车诊断口, 收机 电瓶 正常 器,并读取ID 将ID传输到接 收机,或者无线 传输 图2.2 手工对码流程图 对于用户正常使用而言,SP37胎压传感器会在汽车启动以后定时发射高频数据给显示终端。 2.2 SP37芯片介绍 SP37是一个应用于TPMS的气压测量传感器,其带有微控制器和集成的外围设备。它提供了应用于汽车胎压检测系统的单包装解决方案,只需很少的外围元件即可正常工作。SP37以压力传感器,z轴加速度传感器,温度和电池电压传感器,基于8051的微控制器,低功率消耗的先进的系统控制器,高频发射器,低频接收器为特点。 SP37主要性能为:供电电压为1.9V~3.6V;运行温度为-40~+125?;低电流;传感器测量范围可选为450kpa,900kpa,1300kpa;具有z轴加速度传感器;温度传感器;高温关闭模式以在高温下保护器件;电池电压传感器;集成RF发送器频率可为315/434MHZ;可选输出功率为5dBm或8dBm(转成50Ohm负载);可调RF发送曼彻斯特编码数据速率高达10kbit/s,可选ASK/FSK调制;FSK频偏可达50khz;片上晶 4 河北工业大学2015届本科毕业论文 振调节;高输入灵敏度LF接收;LF接收数据速率为3.9kbit/s。8051指令集兼容微控制器;6kByte FLASH内存;16kByte ROM;256Bytes RAM;可用内部定时器,LF接收 2IC器或者通过GPIO口连接的外部唤醒源唤醒;编程/调试接口;硬件 曼彻斯特/双相编码 高频发送;16位硬件CRC发生器;8位随机数发生器;看门狗定时器;3个双向GPIO口。 可以通过软件控制去测量压力,加速度,温度和电池电压,得到的数据经过调整后用以高频发射。 SP37拥有智能唤醒机制可以减少电能消耗。中断定时器可以控制测量和发射的时间。经过编程,可以通过定期中断唤醒或者低频信号唤醒,而且低频唤醒还可以进一步使能SP37去接收数据。另外,也可以通过连接到GPIO口的外部唤醒源去唤醒。 SP37的集成微控制器兼容标准8051的指令集,且配有不同的外设(如硬件曼彻斯特/双向 编码/译码器 和CRC 生成/校验器)。 低功耗315/433 MHZ的RF发射器包含一个全集成PLL合成器,一个ASK/FSK调制器和一个有效的功率放大器。通过使用片上电容或者增加的额外电容,可以实现中心 [4]频率的有效调制。 [4] SP37有14个管脚,每个管脚的功能分别如下图2.3 图2.3 管脚图 PIN1是PP0 I/O口,I2C 时钟口,操作模式口;PIN2是PP1 I/O口,I2C 时钟口,操作模式口;PIN3是PP2 I/O口,TxData口;PIN4是高频输出口;PIN5是高频发送接地;PIN7,PIN8是地;PIN12是晶振接地;PIN6是供电口;PIN9是内部电压调节输出;PIN10是差分低频接收输入1口;PIN11是差分低频接收输入2口;PIN13是晶振输入口;PIN14是晶振装载电容; 5 河北工业大学2015届本科毕业论文 2.3 相关软硬件工具介绍 2.3.1 开发软件 由于sp37是51内核的单片机,所以编程时采用keil for C51编程环境,经过编译链接生成hex文件后导入烧录软件如下图2.4,图2.5 图2.4 keil界面 图2.5 烧录软件界面 a.设置 “串口”: 选择连接串口 “侦测串口”: 用于连接使用前测试编程器连接的是哪个串口,连接一次正确后会记 录下这个串口号,以后可以不必侦测,侦测完串口会自动打开芯片电源。 6 河北工业大学2015届本科毕业论文 “打开文件” : 用于打开 HEX 文件或者 BIN 文件,文件开始地址只能是 4000H 开 始,符合 SP370 编程规则的目标码文件。 “下载数据”: 用于将程序下载在此编程板中,在批量生产中使用一键下载即可, 无需连接电脑。 “连接” : 用于打开芯片的电源。 “断开” : 断开芯片电源。 “退出” : 退出整个软件。 b. 手动编程 “状态”: 读取芯片目前的状态值。 “读数据” : 将芯片的用户程序区全部数据读出显示。 “芯片编程” : 将程序写入到用户区。 “芯片擦除” : 清空芯片用户程序区,清空之后全部数据为 0。 “锁定” : 锁定用户程序区,这个按钮要谨慎使用,因为一旦锁定了就不能恢复再写程序了。 “空片检查” : 在芯片擦除之后检查芯片是否为空,如果是空的返回数据应该是 00000000,如果不是空的返回数据是 00001111。 “气压” : 检测目前芯片的气压值,同时输出温度值 “加速度” : 用来检测芯片加速度,同时输出温度值 “温度” : 检测芯片周围温度。“电源电压” : 检测芯片工作电压。 c. 自动编程“自动编程” : 自动连续编程,按照设定好的几个选项一次性执行。 “计数清零” : 清除自动编程时的计数结果。 “清空消息” : 清除下面两个消息框信息 2.3.2 烧录器及烧录操作 图2.6 烧录器 7 河北工业大学2015届本科毕业论文 烧录器如上图2.6,SCL连接SP37的PP0口,SDA连接PP1口。VCC,GND分别连接电路板上的电源和地。烧录软件如下图2.7。 图2.7 烧录软件工作时的界面 侦测串口—— 系统自动侦测串口(如未侦测到多侦测几遍)——点击打开文件选择要下载的程序文件——点击连接(红色指示灯闪一下,蜂鸣器响一声)——点击状态(检查是否连接上,框里会出现代码00000000,说明已连接,如果出现11111111,说明未连接上,需要断开重新连接)——点击空片检查(框里出现00000001或者00000111则需要点击芯片擦出再次空片检查,出现00000000则芯片空,可以往芯片下载程序)——点击自动编程即可,出现“编程完毕”字样表示下载完毕。——点击读数据检测写入的程序。上面的在线下载一定保证插上USB口和SP370芯片。 3 SP37传感器外围电路设计 3.1 硬件系统功能概况 该传感器硬件主要包括三大部分,低频接收部分,高频发送部分和SP37核心部 8 河北工业大学2015届本科毕业论文 分。通过这三个部分的有效配合,实现对低频信号的有效接收和高频信号的有效发射,并使系统具有抗干扰,运行稳定等性质。 (1)低频接收部分 本部分是125k低频接收数据部分,能够实现接受低频信号功能,唤醒掉电状态的SP37。其中,电阻电感的选型需要经过计算以达到最优低频接收灵敏度。低频接收部分需要符合一定的通讯协议,以有效地接收125k低频数据。低频信号采用曼彻斯特编码,包括前导码,同步头,唤醒ID,数据。 (2)高频发送部分 本部分是433.92MHZ高频发送部分,通过电容电感的配合,以及天线的使用,实现SP37把数据通过PA口高频发送出去。 高频发送也需满足通讯协议以利于TPMS系统其余部分接收,发送的信号采用曼彻斯特编码,包括前导码和数据。 (3)SP37核心部分 SP37是一个为TPMS而设计的气压传感器,它仅需要少数的外部器件即可实现测量功能。除了上文提到的低频接收和高频发送部分,还需要程序下载接口,供电部分和晶振部分等外围电路支持SP37工作。 SP37的程序下载采用IIC接口,供电采用纽扣电池供电或者直接接外部电源。由于高频发送是433.92MHZ,根据数据手册晶振应采用18.08MHZ。 SP37特征如下:压力传感器,温度和供电电压传感器,z轴加速度传感器,8051内核微控制器,低功耗高性能系统控制器,高频发射器,低频接受器。 3.2 硬件系统目标 本系统各部分联系紧密,低频接收电路和高频接受电路容易互相干扰,同时基于实际在汽车轮胎上安装考虑,传感器的设计必须尽量小。本系统的设计目标有如下几个方面: 1)抗干扰 2)尺寸合适 3)可以对SP37芯片进行多次烧录 4)便于再次开发 3.3 硬件系统总体分析 本系统硬件上主要可以分为三个部分,低频接收电路,高频发射电路,最小系统。 9 河北工业大学2015届本科毕业论文 第一版原理图如图3.1、第一版PCB如图3.2,第一版PCB如图3.3所示。 VCCJ1CON5VCC12345C3C9JP1121nF3418pFC4HEADER 2X2LEDD1680pFR1L21K56nHE1IC1ANTENNA1141PP0XTALCAPC1C5L12131PP1XTAL43nH18pf22pF312PP2XGNDC110.1uFR3L3411PAXLF4.77mH49.5KC13C6C2330pF510PGNDLF3pFVCC100nF69VBATVREGC12C100.1uF78GNDGNDBT1100nFC7R2BATTERY100nF1KComponent_11C81+J247uF 4vCON1D2LED 图3.1 第一版电路原理图 图3.2 第一版PCB图 图3.3 第一版实物图 经过反复试验可知,第一版硬件电路虽然可以实现所要求的功能,但仍存在以下 10 河北工业大学2015届本科毕业论文 几个问题: 1.电路板尺寸过大,该电路板尺寸为4.8*4.3cm,对于要安装在汽车轮毂内的胎压传感器而言过大可能会造成安装不便或者机械结构不稳定,难以适应轮胎内的恶劣环境。 2.此版电路抗干扰性能不好。 3.该电路板覆铜和元器件焊盘靠得太近,在焊接时必须十分小心以避免短路。 4.该电路板中一些元器件在调试阶段可以起作用,而在实际应用中并无作用所以可以省略。 5.低频电感封装尺寸过大,与实际元器件不符。 为了进一步优化设计,实现预期效果,第二版电路原理图如图3.4,PCB设计如图3.5和实物图如图3.6 VCCJ1CON5VCC12345C3C9JP1121nF3418pFC4HEADER 2X2LEDD1680pFR1L21K56nHE1IC1ANTENNA1141PP0XTALCAPC1C5L12131PP1XTAL43nH18pf22pF312PP2XGNDR3L3411PAXLF4.91mH49.9KC13C6C2330pF510PGNDLF3pFVCC100nF69VBATVREGC1078GNDGND100nFC7100nFComponent_1C8+47uF 4v 图3.4 第二版电路原理图 图3.5 第二版PCB 11 河北工业大学2015届本科毕业论文 图3.6 第二版实物图 该版电路极大地改善了第一版电路出现的问题,具有以下性质: 1.第二版电路尺寸为3.9*2.0cm,十分适合汽车轮毂内的安装 2.抗干扰性能优良,低频部分和高频部分不会互相干扰 3.覆铜设计较为合理,便于焊接 4.各元件的封装合适。 3.3.1 低频接收电路 低频接收电路主要由并联的电感和电容组成,并加上电阻调整谐振电路的品质因数Q,使低频的带宽足够(7.8KHZ)。低频接收电路的电感和电容互相配合,使谐振频率达到了低频载波频率125KHZ,实现了最优低频接收灵敏度。低频电感采用普莱 1c,f2πLC默(PREMO)公司的TP0602-0491J。电感量4.91MH,电容可通过公式 ,得 22,,11,,,,C,,,,,,,103,32πf,3.305,10,330pf2,3.14,125,10c/4.91,10,,,,出 。 Q,fc/BW,125KHZ/(2,3.9KHZ),15,即最大的品质因数Q为15。电阻经过计算 [3]和实际考量,定为49.9Ω。 3.3.2 高频发射电路 系统高频发射电路采用欧洲胎压检测系统标准的433.92MHZ频率,而非美国标准315MHZ频率,故采用18.08M汽车级晶振。高频发射采用FSK(频移键控)调制方式,即利用载波的频率变化来传递数字信息,信息中的“1”“0”,分别调制为不同的载波信号,它的主要优点是: 实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。而ASK用载波的有无表示“1”“0”,抗干扰性能差,易被影响,所以系统采用FSK调频方式。系 12 河北工业大学2015届本科毕业论文 统采用软件方式设置FSK,通过输入XTAL1和XTAL2的寄存器参数,将频偏调到35KHZ,中心频点433.92MHZ。 芯片内部集成PA功率放大发射单元,通过π型匹配电路进行阻抗匹配,可以得出电路中各项数值。射频输出功率的等级可以通过软件改变,令RFTX.PAOP=10,可设置RF功率放大输出等级为2PA。通过ADS软件仿真计算出匹配值,如图3.7. 在实际应用中,因为轮胎中的钢圈会对传感器的数据发射形成屏蔽作用,所以必须把天线伸出钢圈之外以有效发射数据。天线一般选择安装在气嘴的气门嘴天线。 图3.7 匹配仿真图 3.3.3 系统工作电路 这部分相关元器件不多,但是却能使以51为内核的SP37传感器正常工作。在调试阶段可以通过控制I/O口输出高低电平来判断系统能否正常工作。 相关的部分为晶振工作电路,经过稳压滤波的电源和地,以及烧录端口。 晶振部分,由于高频发射采用433.92MHZ频率,高频频率是24倍频外部晶体频率,故选汽车级18.08MHZ无源晶体,电容选用8pf。 电源和地部分都加入适当取值的电感进行滤波以减少电压波动。 烧录端口则连接电源,地,PP0,PP1这四个端口以进行烧录操作,另外PP2也接出来作为进一步的调试操作使用。 13 河北工业大学2015届本科毕业论文 4 软件设计 4.1 软件需求 软件分为两大块,分别是由LF低频唤醒所执行的动作和定时器唤醒所执行的动作。 4.1.1 LF低频唤醒 这部分主要是跟学习机(低频学习设备)配对使用,使用学习机发送125KHZ低频信号给传感器,传感器的低频接接收电路收到以后执行发送程序,把温度、压力、轮胎ID号码和CRC8校验码通过433.92MHZ高频发送电路发送给学习机。传感器每次接收到低频信号,都会发送好几次高频信号以避免学习机接收不到信号。同时,CRC8校验码的使用能够使得错误的信息被甄别出来,只接收正确的信息。 之所以选择低频信号进行唤醒而不使用高频信号,是因为低频信号的通信距离短,高频信号的距离长。在使用学习机进行学习时,近距离的低频信号可以有效地唤醒近处的传感器而不会唤醒远处的传感器从而避免干扰。 程序设计为每3.2s开启一次低频开关定时器,开通100ms,检测是否有低频信号。当有低频信号到来时,即时检测前导码和同步头,前导码是用来在LF模拟前端建立 [5]LF数据限幅器门槛值,前导码必须是50,的占空比,并且最小长度是2ms。同步头跟在前导码后面。同步头长度为9bit,包括非曼彻斯特编码的符号以防止跟任何低频编码信号冲突,因为前导码和后面的唤醒ID和数据都是以曼彻斯特编码的形式发送的。曼彻斯特编码每一位的中间有一跳变,这里选用定义为从低到高跳变表示“1”,从高到低跳变表示“0”的曼彻斯特编码。由于曼彻斯特编码不采用高低电平表示“1”或“0”,因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。在同步头后面是唤醒模式值(唤醒ID),学习机发送的值必须跟传感器程序的定义好的值完全一样才能匹配成功。再之后就是接受到的数据,由于传感器不需要用到学习机发送的数据,所以不再详述。匹配成功后,传感器即由掉电状态进入运行状态。 低频编码图如图4.1所示。 14 河北工业大学2015届本科毕业论文 图4.1 低频编码图 进入运行状态后,程序首先调用sp37内置的温度和压力传感器,测量周围的温度和气压,然后调用内置的CRC8校验码生成函数,把要发送的数据输入进去然后产生这些数据的校验码并通过433.92MHZ高频发送。 由于安装在四个轮胎的传感器可能在一个时间段内同时发射高频信号,影响接收端的接收,这就是数据冲突。这是很难避免的,但是可以通过在发射前延时一段随机的时间,减少发生数据冲突的可能性。SP37内置了随机数发生器,在调用库函数Send_RF_Telegram()时,往Delay Pattern descriptor中输入一个固定的值,一般为传感器ID号的低位,库函数就会在发射时使用随机数发生器延时任意一段时间,延时长度为固定值对应的时间加上随机数发生器产生的数对应的时间,以此避免数据 [6]冲突。 高频编码图如图4.2所示。 图4.2 高频编码图 其中前导码是16bit“0”,接着是8个数据字节,高位先发。发送采用4.8k的波特率。高频应答的格式如图4.3所示。 图4.3 高频应答格式 15 河北工业大学2015届本科毕业论文 DATA0--DATA3为传感器ID号,DATA4为压力数据,DATA5为温度数据,DATA6为状态位(标志是否漏气),DATA7为CRC8校验。 其中温度数据在取出来后经过函数Change_to_char()转为char类型,然后再经过算法运算变成1个字节的数据。CRC校验则是调用xCal_crc()函数生成CRC8/MAXIM :X8+X5+X4+X1这种模式的CRC校验数据。 发送完成后,传感器进入休眠状态,等待下一次唤醒。 4.1.2定时器唤醒 芯片每4s唤醒一次,进行加速度检测,判别是否行车,以此执行不同操作。定时器唤醒的高频发送协议与低频唤醒相同。应注意在该模式中要记录唤醒次数以及每次测量的压力值还有记录压力值的次数,由于在进入休眠状态时只有RAM区域的低128字节数据可以保留,故把这三个值存进这个区域。在变量定义时使用以下三条语句:#define store_count DBYTE[0x70] 和 #define store_count_pressure DBYTE[0x68] 以及#define store_pressure_prior DBYTE[0x66]。为了确保程序运行正常,应在每次上电复位时对这三个值所在区域清空。 (1)汽车在停车状态下 每3.2s运行一次LF计时器,每次运行100ms。每12s检测一次气压,每20min检测一次温度,不发射数据。 (2)汽车在行驶状态下 压力标准值(220kpa)、高温报警值(85?)确定后不再更改,参数固定在发射器内,每次检测到数据进行比对,当超过报警阈值,马上再次采样判断,确认报警后,立即发送6组数据,每组数据间间隔1s,每组数据包含2帧,然后恢复每分钟的数据发射。 在行驶状态下,当轮胎漏气大于30~35kpa/min的速率并持续1min:每4s检测一次压力,当每次压力变化3个单位以上(每个单位代表0.0137kpa),且连续保持三次检测结果一致,则进行数据发射,连续发射10帧数据确保接收机及时更新数据。 在正常行驶状态下, 每3.2s运行一次LF计时器,每次运行100ms。每1min检测一次温度,压力并发送一次数据。 4.1.3初次上电或系统复位 在系统第一次上电或者复位时,首先把低RAM区里的唤醒次数以及每次测量的压力值还有记录压力值的次数这三个数据清零,然后进行LF初始化。LF初始化的相关 16 河北工业大学2015届本科毕业论文 程序见附录A。 4.2 程序流程图 程序流程图主要分为三块:低频唤醒,定时器唤醒以及上电初始化。具体情况见下图4.4。 图4.4 程序流程图 4.3 相关配置 2IC SP37程序下载采用接口,在下载时必须对PP0,PP1口接上对应的电平。要 [4]使系统能够正常执行程序,也应在上电时让PP0,PP1都接高电平,相关配置如图4.5 17 河北工业大学2015届本科毕业论文 图4.5 操作模式选择 5 开发过程及测试结果 5.1开发过程 在设计好第一版PCB后,使用烧录器把配套的测试程序烧录进芯片里面,可以发现,在烧录软件中显示烧录成功,这说明烧录器可以正常使用,同时说明SP37工作电路可以正常使用。然后编写控制I/O口的程序,让LED灯以一定频率亮灭。由于没 O口的控制,可以为进一步的开发带来方便,同时定时器如何正确有调试器,实现I/ 使用也在这个程序中有所体现。接着编写低频接收程序,使传感器在接收到学习设备发出低频信号后点亮LED灯。第四步是让传感器发送高频信号,用学习设备接收。最后再把以上程序整合在一起进行测试。 5.2测试 (1) 准备工作。下载程序进SP37,连接好线并上电,使用学习机接收传感器发送的数据并通过与之相连的BDM在PC端显示其接收到的数据。如图5.1 图5.1 连线供电图 18 河北工业大学2015届本科毕业论文 (2) 定时器测试,由于实验室条件限制,无法提供汽车启动时的运动环境,而静止状态下程序设置为不发射数据,故稍微改动程序,把运动状态下的程序与静止状态下的程序完全调反,进行相关测试。 图5.2 电脑接收端接收定时发送的数据图 经测试,实现了每分钟发射数据的功能。数据解读如下。rebuff下的数据是接收到的数据,通过连接的BDM在电脑端显示,0x90--0x93是ID号,0x00是气压值,在小于等于一个标准大气压值时显示为0x00,温度值显示0x1D,折算为十进制为29?。0X1C是状态位,表示无漏气,使用CRC校验软件验证0XEC正确性,如下图5.3 图5.3 使用CRC软件校验 可以看到,CRC校验码发送成功并且数值正确。 (3) 低频接收发射测试,使用学习机进行低频发射,传感器返回高频信号,学习机接收并显示出来。如图5.4 19 河北工业大学2015届本科毕业论文 图5.4 电脑接收端接收低频唤醒发送的数据图 可以看到,两次测试的接收结果一致,测试成功。 5.3检测精度及使用年限 检测精度 (1)加速度 测量范围:-115~+115g 正常情况下精度误差为-18.75%~+18.75%,补偿误差为-6~+6g ,分辨率为0.53~0.93g 图5.5 加速度精度图 (2) 温度 测量范围:-40,+125?,正常情况下误差-3~+3度。 图5.6 温度精度图 20 河北工业大学2015届本科毕业论文 (3)气压 测量范围:100~450kpa (标准大气压值为101.325kPa) 正常情况下误差为7kpa,原始数据精度为0.68~0.92kpa 图5.7 气压精度图 (4)电池电压 1.9 V ... 3.6 V(最好保证在2.5v以上),误差100mv 图5.8 电池电压精度图 使用年限计算 按照电池容量550mah计算 (1)连续工作: 1小时功耗: 压力测量:11uSA*20*60=13200uAS 温度测量:5uAS*60=300uAS 电压测量:4uAS*1=4uas LF电流:((10uA*0.1S)/4)*60*60=900uAS 静态电流:0.6uA*60S*60=2160uAS RF发射电流:11.6mA*0.017S*60=11832uAS 电池自放电:0.3%/年 1天:28396uAS*24=681504uAS 1年:681504uAS*365=248748960uAS=69.1mAH 6年:69.1mAH*6=415mAH (2)连续存放: 压力测量:11uAS*660uAS 温度测量:5uAS*3=15uAS 电压测量:4uAS*1/20=0.2uAS 21 河北工业大学2015届本科毕业论文 LF电流: ((10uA*0.1S)/4)*60*60=900uAS 静态电流: 0.6uA*60S*60=2160uAS 1天: 3135uAS*24=89640uAS 1年:89640uAS*365=32718600uAS=9.1mAH 6年: 9.1mAH*6=55mAH 所以,无论存放还是工作,发射器使用年限都超过6年 22 河北工业大学2015届本科毕业论文 结 论 随着汽车作为一种重要的交通工具在我国不断普及,道路安全问题也受到了人们的广泛关注。据统计,每年有相当部分的交通事故是由汽车胎压异常引起的。所以,如何有效地监测胎压异常并对驾驶者及时地警报成为了重要的研究课题。汽车胎压传感器作为汽车轮胎压力检测系统的重要组成部分,其性能会直接影响到整个系统的总体性能并进一步影响到驾驶者的安全。 本文首先介绍了胎压监测系统课题研究的相关背景和意义,然后介绍了开发SP37胎压监测传感器的软件和硬件设备,接着介绍了传感器的硬件和软件设计,最后提供了测试过程结果以及传感器的精度和使用年限。 本课题基本实现了预想中的功能,但是由于实验设备的限制,只能对SP37传感器进行有限的测试,有待进一步的路上测试并完善设计。我国的胎压检测系统正在不断进步中,市场推广力度也在不断提高,相信不久就能追赶并超越欧美国家。 23 河北工业大学2015届本科毕业论文 参 考 文 献 [1]刘元宾. 汽车轮胎压力监视系统(TPMS)的研究[D].天津大学,2007. [2]陶晓玲. 基于CAN总线的重型卡车轮胎压力监测系统(TPMS)设计[D].中北大学,2013. [3]李栋梁. 基于SP37汽车胎压监测传感器研究[J]. 今日电子,2012,04:46-49. [4] Infineon.Tyre Pressure Monitoring Sensor SP37 datasheet . [5] Infineon.SP37_LF_v1.0 [6] Infineon.SP37_Rom_Lib_Guide_V1.0 24 河北工业大学2015届本科毕业论文 致 谢 转眼间,大学四年即将过去。四年可以说很长,也可以说很短。说短是感觉昨日才刚刚入学,今日就要毕业,真有光阴似箭,日月如梭之感。说长是当自己细细思考起来,似乎这四年里经历了很多,其中有喜悦,有悲伤,有失望,也有希望。这四年我过得非常充实,也成长了很多。回想起来,有那么多的人在背后支持我,帮助我。我的亲人,我的朋友,我的老师,他们都曾经在我遭受挫折的时候给我鼓励和帮助,并在平时的生活中包容我,关心我。在此,我对他们报以最由衷的感谢。 在本课题的研究过程中,首先感谢我的导师梁涛教授,他在课题最开始的时候就指示了我明确的目标,让我在整个研究过程中没有感到过迷茫。在课题研究过程中,他给我规划了每一步的研究目标,让课题研究得以顺利开展,也让我学到了如何踏实地去进行科研规划,对我攻读研究生学位带来了帮助。在课题结束阶段,他又指导我论文的撰写和排版,对这篇论文的形成有莫大的贡献。 其次我要感谢学长学姐们热心的帮助,在遇到一些细节问题时,他们总会不耐其烦地给与我及时的帮助。感谢他们牺牲休息时间来帮助我进行本课题的研究。 然后感谢我的父母,正是他们多年来的养育之恩,才造就了今日的我。感谢他们在我遇到困难时鼓励我,支持我,让我感到家的温暖。 感谢我的朋友们,他们不仅在生活中给我带来欢乐,还在课题研究过程中与我讨论,互相鼓励,互相进步。 感谢写作本篇论文的参考文献的各位作者,正是由于他们的先前努力才让本课题能够在一个比较高的水平上进行进一步研究。 最后,感谢各位老师付出宝贵的时间审阅本文,给我衷心的意见及建议。 25 河北工业大学2015届本科毕业论文 附录A 部分程序 变量 备注 store_count 记录唤醒次数 store_count_press记录气压大于上次气压多少次 ure store_pressure_pr记录先前气压 ior descriptorPtr[19] 把要高频发送的数据放进这个数组 里,可以参考库函数 store_statusbyte_发送是否成功判断标志 sendrf store_statusbyte_测温是否成功判断标志 temperature store_statusbyte_测压是否成功判断标志 pressure store_pressure 存储压力值 store_uchar_tempe存储温度值, char类型 rature store_temperature 改变为char类型前的温度值 sensorconfig_pres调用测压库函数时的相关配置 sure samprate_pressure 调用测压库函数时的相关配置 ID_Result 跟取芯片内置ID有关的变量,由于程 序是自己定义ID故此变量没有用 store_crc 送进crc校验函数里面的数组 store_uchar_id[] ID值所在数组 store_id 转为char前的ID store_wuf 唤醒标志寄存器 store_wakeup 唤醒模式 store_ref 判断激活芯片从IDLE到RUN的模式 store_acceleratio加速度值 n store_statusbyte_测加速度是否成功判断标志 acceleration sensorconfig_acce调用测加速度库函数时的相关配置 leration samprate_accelera调用测加速度库函数时的相关配置 tion 26 河北工业大学2015届本科毕业论文 高频初始化 void Rf_init() { //RF init RFENC=0xE0; RFTX = 0x45; // FSK switch open, FSK with internal pulling capacitors, data inv., 433.92 MHz, 2PA stages TMOD = 0x69; // use Timer Mode 1 Reload Timer 1 ; Timebase: XTAL/4 Timer 0 Timebase: 4kHz (2*2kHz LP RC Oscillator) TL1 = 0x75; // Configure Timer Counter for 9,6Kbaud 0x3A TH1 = 0x75; // Configure Timer Counter for 4.8Kbaud 0x75 XTAL1 = 0x11; // +/- 35kHz Deviation XTAL0 = 0x28; T1RUN = 1; // Start Baudrate Timer StartXtalOsc(33);// Start xtal oscillator function call VCO_Tuning(); } 低频初始化 void Lf_init() { LFPCFG = 0x02; //Use 16Bit pattern P0 for wakeup LFP0H = 0xAA; LFP0L = 0xAA; //Definition of P0 high byte and low byte LFRX1 = 0x30; //Choose auto-calibration time for telegram detection WUM &= ~(0x04); //Enable Pattern Match Wakeup LFRXC = 0x14; //LF-Receiver including LF Baseband enabled ITPR=0x08; //Set Interval Timer to approx. 4s LFOOT = 0xF7; //ON-Time = 3.2 s , OFF-Time = 100ms PDLMB=0;//Lower RAM retains power in POWER DOWN and THERMAL SHUTDOWN //states StartXtalOsc(40); //Start RF quartz oscillator and wait 40x42.67μs LFBaudrateCalibration(3906); //Calibrate LF Baud Rate to 3906 IntervalTimerCalibration(2); //Calibrate On-Off-Timer precounter to 50ms. // Base frequency of the //interval timer precounter 2 Hz (precounter time ~500 ms) StopXtalOsc(); //Stop RF quartz oscillator } 27
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