基于嵌入式系统的汽车轮胎气压强度信号监控研究

2020-07-09唐卫斌

环境技术 2020年3期

唐卫斌

（商洛学院电子信息与电气工程学院，商洛 726000）

引言

随着工业经济的发展，汽车开始大量使用，随之而来的就是汽车行驶安全问题。据相关统计，在未来的几年甚至几十年汽车的年产销量将呈现持续增长的姿态，伴随着这种大量增长的势头，汽车行驶出现的安全隐患问题接踵而至，是当今社会关注的焦点。

轮胎是支撑车体重量、驱动、传递和牵引力、制动力导向，保证车辆与地面的附着性的重要零件。全球每年发生的汽车交通事故中，死亡人数高达50万人，其中轮胎爆胎引发的事故占70 %[1]。轮胎气压不足或过高都会造成轮胎磨损，寿命减少，由此可知，汽车轮胎气压强度信号监控是保证轮胎安全的重要技术[2]。传统的汽车轮胎其强度信号监控方法受到汽车行驶距离的影响，距离越远，安装在汽车轮胎的监控子节点装置消耗电流电量越多，工作寿命越短。因此，提出基于嵌入式系统的汽车轮胎气压强度信号监控研究，利用嵌入式系统，实现信号的无线传输，以此解决传统方法中存在的问题。

1 基于嵌入式系统的汽车轮胎气压强度信号监控方法设计

嵌入式系统是一种嵌入在受控器件内部，针对特定任务而设计的计算机系统[3]。在汽车轮胎气压强度信号监控方法设计中，将不同功能的芯片安装在汽车轮胎内部，结合嵌入式操作系统达到监控轮胎气压强度信号的目的。

1.1 监控子节点传感器设计

监控子节点是整个汽车轮胎气压强度信号监控的发起者，考虑汽车轮胎实际工作温度范围及轮胎压力情况，传感器温度测量满足-40 ℃～125 ℃，传感器压力测量范围为100～450 kPa[4]。

根据上述需求，选择SP370作为监控子节点的传感器，其剖面图如图1所示。

图1 SP370剖面图

该芯片是具有14引脚的SOP封装，其各引脚功能如表1所示。

表1 SP370引脚功能

将传感器作为监控子节点安装在汽车轮胎内部，通过无线射频传输，将气压传感器获取的气压强度信号传输至处理中心。

1.2 无线射频传输设计

根据实际的汽车环境、轮胎气压强度信号的采集手段，监控中的各个模块间无法通过有线方式进行数据传输，因此，设计无线射频传输功能，通过无线射频传输方式实现通信[5]。

采用MAX1471作为射频接收器，MAX1471中包含了超外插接收器所需要的全部有源元件，并且其内部存在的一个非连接接收模式，能够保证功耗较低，具有一定的节能功能。

将MAX1471外接一个10.4 MHz的低通滤波器，提高轮胎气压强度信号质量。晶振的频率同接收载波的频率的关系如公式1所示。

式中：

xz—接收载波的频率；

xXTAL—晶振频率。

在MAX1471中，MIXOUT、AGND和IFIN+负责连接低通滤波器，用于ASK数据的解调[6]。MAX1471内部的寄存器的读写控制通过微控制器连接SCLK、CS和DIO实现[7]。

ADATA引脚置于高位，表示接收的是ASK解调数据。ASK接收数据是利用二进制数1和0控制载波的通断，其目的是在载波在数据信号1的状态下，传输信道传送载波；在数字信号0的状态下，传输信道终端载波传送。传输的载波信号如下：

FDATA置于高位，表示接收的是FSK解调数据。FSK是利用数字信号的1和0控制两个不同频率的载波信号交替输出。其表达式为：

式中：

Fm—采样信号；

t—周期；

ω—频率；

ψ—幅度；

f1(t)—数字信号为1时的FSK解调数据；

f2(t)—数字信号为0时的FSK解调数据[8]。

接收信号环节主要通过与微控制器连接的引脚，进而对MAX1471内部期存器进行读写，实现汽车轮胎气压强度信号的接收。MAX1471的写入操作时序图如图2所示。

图2 射频接收器写入操作时序图

通过上述过程接收由监控子节点传输的汽车轮胎气压强度信号，此时监控到的信号是模拟信息，设计A/D信号采样转换功能，将模拟信息转换成计算机可以识别的数字信息，通过监控显示模块展示在用户面前。

1.3 A/D信号采样转换设计

使用12位的ADC进行电压信号的采集，具体工作电路图如图3所示。

图3 ADC12输入电路开关和采样保持电路

ADC12的内部存在两种参考电压可供选择，另外在汽车轮胎气压强度信号采样和模数转换过程中，所需要的时钟信号源可以选择，转换结果由专门的桶形缓冲[9]。

在实际信号转换过程中，ADC12提供4种不同的信号模数转换模式，供用户选择。分别是单通道单次转换和单通道多次转换，序列通道单次转换和多次转换[10]。

单通道单次转换主要通过转换存储控制寄存器，设置汽车轮胎气压强度信号模数转换的通道和范围，使用设置的通道完成一次采样和转换后，使用ENC复位和置位，为下一次任务做准备。单通道多次转换，使用设定的通道进行多次任务，直到达到用户设置的条件，停止任务。使用单通道相关转换模式，在每次任务完成后，转换的结果存放在ADC12中[11]。

序列通道转换中，存在多个通道，每个通道的相关参数由特定的存储控制寄存器设置，单次转换与多次混转换模式基本类似，不同的是，在实汽车轮胎气压强度信号监控过程中，单次转换只完成一次信号转换，多次转换，会一直转换，直到达到用户设置的条件，停止转换。

在实际轮胎气压强度监控中，改变转换模式不需要停止当前转换，直接切换模式后，当前转换任务完成后，转换后的模式直接生效。转换完成后，数字信号传输至监控显示模块，显示在用户面前。

1.4 监控显示设计

通过S3C2440 LCD控制器控制TEL LCD，将监控的汽车轮胎气压强度显示在LCD上。将LCD设备注册到监控设备中，定义LCD平台设备的各种资源，分配info结构体空间，初始化结构体中的各项参数和LCD控制器，申请帧缓冲设别的显示缓冲区空间，注册info，实现对LCD显示模式进行设定的硬件接口函数[12]。

注册完成后，初始化MMU，设置Nand flash的配置寄存器，选择通信口，LCD初始化，通过串口通信接收信号。LCD监控显示工作原理图如4所示。

图4中显示，汽车轮胎气压强度监控数据显示在用户面前是由像素时钟信号、行同步信号、帧同步信号、数据使能信号共同工作作用的结果。在此基础上，提供人机交互功能，实现实时接收、处理并显示轮胎气压强度信号。监控结果显示在用户面前的同时，当轮胎气压强度超过预设的极限值时，通过报警模块，为用户提供声光预警。声光报警模块选择8路LED发光管作为对应的轮胎位置、高低压提示灯，蜂鸣器作为声音预警[13]。

至此，基于嵌入式系统的汽车轮胎气压强度监控方法设计完成。

2 汽车轮胎气压强度信号监控方法性能仿真测试

2.1 测试环境

在汽车轮胎压强信号监控方法仿真测试中，采用标准C编程，选用CodeWarrior编辑环境，无缝连接AXD Debugger调试器。

为了保证在测试过程中，嵌入式系统上电或复位时，首先加载运行Boot Loader程序，将内存地址存放在Flash中的0x00000000处。系统上电后，在ADS中编译程序，使用Boot Loader程序，跟操作系统内核一起编译，烧写进Flash。ADS调试设置图如图5所示。

将Image entry point设置为0xc0080000，勾选Output local symb，完成后，文件内生成可执行的bin文件，成功烧写至目标板的Flash中。

2.2 软件调试

在ADS环境下编写汽车轮胎气压强度信号监控执行代码，反复调试无误后，下载至flash中运行。按照从局部到整体调试整个测试过程所需的软硬件。

加载不涉及任何外设的简单多任务的应用程序，调试开发板运行情况，复位引导代码运行情况，多任务程序运行结果。

分别调试SPI数据接收处理任务、中断服务任务和数据显示任务，直至输出正确结果。加载编写的所有执行功能的程序到硬件部分，调试程序，测试汽车轮胎气压强度信号监控方法的基本功能，如低压报警、高压报警或高温报警等，调试结果显示，各个环节功能执行正常，稳定可靠，可进行后续测试。

2.3 功耗测试及结果分析

图4 LCD监控显示工作原理图

图5 ADS调试设置图

测试安装在汽车轮胎内部的监控子节点在正常监控过程中功耗情况，以此判断监控子节点的使用寿命。使用基于嵌入式系统的汽车轮胎气压强度信号监控方法测试的同时，使用传统的基于WSN的监控方法，在相同的条件下，测试汽车侧轮胎监控子节在休眠状态耗电和正常工作状态下的状态消耗电流和电量情况。

为了更好的对比两种不同的汽车轮胎气压强度信号监控方法。测试在不同的情况下，消耗电流电量情况，定时唤醒装置设置为4 s一次，第一次唤醒设置加速度值，随后增加电压、温度和压力，分别测试其消耗的电流电量。

不同状态下测量结果如表2和表3所示。表2中显示休眠状态下，电流电量最大消耗值为1.7，不同状态下测量结果分别为1.56、0.95、1.5和0.5；表3中显示休眠状态下，电流电量最大消耗值为0.9，不同状态下消耗情况分别为0.81、0.77、0.93、0.3；对比观察两组数据，明显能够看出表3中结果低于表2中结果，假设一次监控子节点一次完整的工作需要时间为4 s，取各种状态下所消耗电量的最大值，经计算得出，使用传统的监控方法，监控子节点的使用寿命4.96年，使用设计的监控方法，监控子节点的使用寿命为8.23年，两者相比，设计的基于嵌入式系统的汽车轮胎气压强度信号监控方法优于传统的监控方法。