江蘇無錫江南計(jì)算技術(shù)研究所 李 珊

     引言

     據(jù)美國汽車工程師學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國每年有26萬起交通事故是由于輪胎氣壓偏低或滲漏造成的。而在中國高速公路的交通事故中，則有70％是因爆胎而引起。因此，防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)重要課題，而確保標(biāo)準(zhǔn)胎壓則是防止爆胎的關(guān)鍵。目前的汽車壓力檢測(cè)系統(tǒng)主要包括直接式和間接式。直接式系統(tǒng)通過安裝在輪胎內(nèi)部的傳感器直接檢測(cè)胎內(nèi)壓力和溫度狀態(tài)；間接式則是通過安裝在轉(zhuǎn)軸上的傳感器檢測(cè)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)慣性進(jìn)而推算出胎內(nèi)的壓力的。由于直接式檢測(cè)不受溫度影響，因而比間接式系統(tǒng)檢測(cè)更準(zhǔn)確，是目前的主流。直接式系統(tǒng)的核心是安裝在輪胎內(nèi)部的傳感器模塊，它在電池供電下可以工作3～5年，因此要求系統(tǒng)采用微功耗設(shè)計(jì)。另外，由于是安裝在輪胎內(nèi)部，對(duì)傳感器尺寸、重量以及可靠性都有嚴(yán)格要求。本文給出了基于pic單片機(jī)、單片無線收發(fā)芯片nrf2401a及多功能集成傳感器芯片sp12設(shè)計(jì)的一種用于檢測(cè)汽車輪胎壓力、溫度狀態(tài)檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)的氣壓檢測(cè)范圍是100kpa～400kpa，精度為1.4kpa；溫度檢測(cè)范圍是-40℃～+125℃。

     1 性能指標(biāo)與總體設(shè)計(jì)

     1.1 性能指標(biāo)

     該智能傳感器系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下：

     ◇壓力測(cè)量范圍：100～400 kpa

     ◇溫度測(cè)量范圍：-40～+120

     ◇通信頻率：2.4～2.5 ghz

     ◇最大發(fā)射功率：0dbm

     ◇接收靈敏度：-80dbm

     ◇傳感器采用3 v鋰電池供電

     1.2 總體設(shè)計(jì)

     智能傳感器內(nèi)部基本組成如圖1所示。它以pic16f684單片機(jī)為核心，并包括三合一集成式傳感器芯片sp12，2.4 ghz全雙工無線通信收發(fā)模塊nrf2401a。其中spl2可在單片機(jī)的控制下測(cè)量車胎的壓力和溫度值。并以數(shù)字量形式輸出，再經(jīng)過單片機(jī)mcu打包后通過nrf2401a發(fā)射出去。同時(shí)，單片機(jī)也通過nrf2401a接收主機(jī)發(fā)來的指令，完成相應(yīng)的控制或參數(shù)配置任務(wù)。

     2 硬件設(shè)計(jì)

     2.1 mcu單元

     本系統(tǒng)的每個(gè)傳感器內(nèi)都有1個(gè)mcu芯片pic16f684。這是一款微功耗高性能單片機(jī)。由于其片上集成有晶振電路和復(fù)位電路，因此其最小系統(tǒng)極為簡(jiǎn)單，只要接通電源就可以工作。

     mcu外部擴(kuò)展了2個(gè)外設(shè)，其中同nrf2401a的接口使用了6個(gè)i／o口，它們是cs2(輸出口，片選信號(hào))、ce(輸出口，工作模式控制)、wr_up(輸出口，休眠使能)、data(輸入口，數(shù)據(jù)接收)、dr1(輸出口，數(shù)據(jù)發(fā)送)、clk1(輸出口，通訊同步信號(hào))。mcu與nrf2401a的通訊采用spi協(xié)議，其中mcu為主機(jī)，nrf2401a為從機(jī)，通訊協(xié)議在mcu上由軟件實(shí)現(xiàn)。

     mcu與spl2的接口使用了4個(gè)i／o口，它們是cs1(輸出口，片選信號(hào))、sd0(輸出口，數(shù)據(jù)輸出)、sdi(輸入口，數(shù)據(jù)輸入)、sck(輸出口，通訊同步信號(hào))。mcu與spl2的通訊協(xié)議也是spi，其中mcu為主機(jī)，sp12為從機(jī)，該通訊協(xié)議也在mcu上由軟件實(shí)現(xiàn)。mcu與外設(shè)的接口電路原理圖如圖2所示。

     2.2 rf單元

     rf單元采用集成式2.4ghz無線收發(fā)芯片nrf2401a，nrf2401a片內(nèi)集成有rf放大器、本振與混頻器和調(diào)制／解調(diào)器、數(shù)字接口等電路，因而外圍元件很少。

     rf單元的硬件設(shè)計(jì)主要包括rf天線回路、rf放大器增益配置，以及本地振蕩電路的設(shè)計(jì)。圖3所示是rf單元的電路圖。其中，l1、l2、c6、c7用于構(gòu)成天線匹配與選頻網(wǎng)絡(luò)，r2是rf放大器增益配置電阻，y1、r3、c8、c9構(gòu)成本振電路的一部分，el、e2、c2、c3為電源濾波和退耦元件。

     2.3 sp12單元

     sp12是集成式三合一傳感器，它能夠把氣壓、溫度、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)值量并發(fā)送至mcu。sp12的傳感器探頭安裝在芯片封裝上，因此。只需通電就可以通過mcu向sp12發(fā)指令以啟動(dòng)采樣。sp12的外圍電路也很簡(jiǎn)單，只有電源接口和mcu的數(shù)字接口。具體電路參見圖4。

     2.4 電源及輔助電路

     汽車輪胎狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能傳感器一般都安裝在車輪內(nèi)，因此，供電系統(tǒng)一般采用小尺寸電池�？紤]到電池容量、壽命及溫度適應(yīng)性，本設(shè)計(jì)采用3 v鋰電池供電。