摘要：本文對(duì)輪胎壓力監(jiān)測(cè)裝置在汽車上應(yīng)用的必要性進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器和單片機(jī)的汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)上位機(jī)采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)的壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)輪胎壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，下位機(jī)采用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的壓力采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集輪胎壓力，并通過(guò)發(fā)射、接受電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)提高汽車行駛的安全性具有一定的意義。

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,汽車的擁有量和公路網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，公路交通的平均車速也有了很大提高，這對(duì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起到了積極作用。同時(shí)也潛了一些交通隱患，如因車胎爆胎等造成交通事故，而這類事故大部分是由于不合理的輪胎氣壓和溫度引起的。因此，使駕駛者在行車過(guò)程中能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)汽車輪胎胎壓，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)[1]。這對(duì)確保汽車行駛的經(jīng)濟(jì)性、安全性和操縱穩(wěn)定性等具有重要意義[2].。

造成汽車爆胎的主要原因包括：一、氣壓過(guò)低行駛，輪胎變形增大，胎溫因磨擦而急劇升高，輪胎變軟強(qiáng)度下降，造成爆胎；二、氣壓過(guò)高行駛，輪胎彈性降低，受到的動(dòng)負(fù)荷增大，受到?jīng)_擊會(huì)產(chǎn)生內(nèi)裂，造成爆胎；三、在長(zhǎng)時(shí)間行駛中，輪胎與地面的磨擦使胎內(nèi)溫度急劇升高，氣壓隨著增大，造成爆胎[3]。

現(xiàn)代汽車測(cè)試工程和其它工程一樣，需要專用的監(jiān)測(cè)儀器，這些儀器可以用傳統(tǒng)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù),也可以采用虛擬儀器技術(shù)。從減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和降低成本兩方面來(lái)考慮，虛擬儀器的優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的。虛擬儀器硬件工作量明顯減輕，可節(jié)省大量選購(gòu)電子元件的過(guò)程，印刷電路板設(shè)計(jì)難度被簡(jiǎn)化，安裝調(diào)試過(guò)程中使用的儀器大大減少，整個(gè)開(kāi)發(fā)周期縮短許多倍[4]。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了多種通訊技術(shù)和先進(jìn)傳感器技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于虛擬器技術(shù)和單片機(jī)的汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的使用價(jià)值[5]。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括：壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)，無(wú)線接受系統(tǒng)和上位機(jī)等五部分組成，在該設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集部分主要以C52單片機(jī)控制壓力傳感器來(lái)完成對(duì)汽車輪胎壓力的采集。并通過(guò)無(wú)線調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺(tái)上的無(wú)線接受裝置上，然后無(wú)線接受裝置通過(guò)串口與監(jiān)視器相連。通過(guò)監(jiān)視器可實(shí)時(shí)顯示各輪胎氣壓，駕駛者也可直觀地了解各個(gè)輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)記錄數(shù)據(jù)并自動(dòng)報(bào)警。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是將所采樣的一個(gè)電信號(hào)用無(wú)線調(diào)制發(fā)的方式發(fā)射出去，在另一端采用無(wú)線技術(shù)接收信號(hào)后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)利用LabVIEW軟件對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如實(shí)時(shí)顯示、壓力報(bào)警、報(bào)警處理等。此外，利用軟件本身的GUI可以設(shè)計(jì)出友好的界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的完全控制和數(shù)據(jù)分析?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖l所示。

圖1系統(tǒng)模塊原理圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.發(fā)射電路

發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射電路是整個(gè)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精華所在。它集中體現(xiàn)了電路簡(jiǎn)單而有效的設(shè)計(jì)思想。胎壓監(jiān)視系統(tǒng)選用無(wú)線數(shù)字通信的方式。發(fā)射電路采用nRF905集成電路芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。選擇發(fā)射頻率34MHz。外接天線使用905的ANT1以及ANT2。設(shè)定串行通信的波特率為1200Bit/s。

該芯片與單片機(jī)的連接由表2.1.1所示：

表2.1.1發(fā)射芯片和單片機(jī)的連接方式

在用TXEN控制狀態(tài)的切換的時(shí)候，是用延時(shí)程序來(lái)保證狀態(tài)切換的成功以確保數(shù)據(jù)能夠按時(shí)序收發(fā)。狀態(tài)切換的時(shí)間如表2.1.2所示。

表2.1.2狀態(tài)切換時(shí)間表

2.2硬件電路連接

發(fā)射接收芯片NRF905的硬件連線如圖2所示。

圖2.NRF905完整發(fā)射電路

2.3接收解調(diào)電路和處理器

接收電路也是采用NRF905芯片外加天線來(lái)接收來(lái)自輪胎內(nèi)模塊的信號(hào)。其中處理器也是采用80C52單片機(jī)。在本設(shè)計(jì)中，由于NRF905具有收發(fā)一體的特點(diǎn)，C52單片機(jī)在此系統(tǒng)的主機(jī)和下位機(jī)中都有應(yīng)用，所以NRF905與處理器52單片機(jī)的連接方式也跟輪胎控制模塊的基本相同。所不同的是處理器用于控制NRF905的控制IO線和接口方式不同而已。表3.3.1是NRF905與單片機(jī)的連接方式。

表2.3.1駕駛室接收芯片跟單片機(jī)的控制引腳連接表

本設(shè)計(jì)接收系統(tǒng)中采用UART異步接收方式。采用計(jì)數(shù)器1來(lái)作為波特率發(fā)射器，并使它的工作在工作方式2的計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)為8位，假設(shè)計(jì)數(shù)初值是COUNT，則定時(shí)時(shí)間為T(mén)=(256-COUNT)*機(jī)器周期，那么它的倒數(shù)就是計(jì)數(shù)溢出率，也就是1/T。由于針對(duì)具體的單片機(jī)而言，時(shí)鐘頻率是固定的，從而機(jī)器周期也是可知的，所以在上面的公式中，只有兩個(gè)變量：波特率和計(jì)數(shù)初值。只要知道其中一個(gè)，就可以求出另外一個(gè)。

本系統(tǒng)令串行通訊口的工作方式選2，因?yàn)楣ぷ鞣绞?具有自動(dòng)加載功能，避免了通過(guò)程序反復(fù)裝入計(jì)數(shù)初值而引起的定時(shí)誤差，使得波特率更加穩(wěn)定。接受模塊的控制器的通信頻率設(shè)定為1200bps，與輪胎模塊的發(fā)射波特率相同，52單片機(jī)的晶振頻率為11.0592MHz。

本系統(tǒng)設(shè)置中，令SMOD=0，也就是波特率不倍增，因?yàn)橥ㄐ潘俾什桓?，發(fā)送的數(shù)據(jù)也不多，所以波特率不倍增，以免速率太高，誤碼率也高，也就減少通信錯(cuò)誤發(fā)生。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主要由初始化程序、主程序、延時(shí)程序等模塊組成[6]。

3.1初始化程序

初始化程序包括定時(shí)器T0中斷入口地址1000H、主程序入口地址000BH、軟件計(jì)數(shù)器地址30H，晶振11.0592MHz.

3.2主程序

主程序的流程圖如圖3所示[7]。

圖3主機(jī)程序流程

3.3延時(shí)程序

延時(shí)程序[8]主要是用在檢驗(yàn)車胎是否存在持續(xù)故障，延時(shí)時(shí)間可以根據(jù)車胎的性能等一系列的因素確定，本設(shè)計(jì)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間是5s，延時(shí)采用內(nèi)部的定時(shí)器T0工作在方式1，定時(shí)時(shí)間設(shè)定為50ms，軟件計(jì)時(shí)100。采用兩者相結(jié)合達(dá)到定時(shí)5s的效果。

界面設(shè)計(jì)

LABVIEW能提供豐富的數(shù)據(jù)圖形化顯示控件[9]。圖形控件按顯示方式主要分為兩類：一種是趨勢(shì)圖(Chart)，另一種是圖表(Graph)。本文前面選用了Chart可以將新的數(shù)據(jù)添加到曲線尾端，從而反映數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，主要用來(lái)顯示實(shí)時(shí)曲線，與傳統(tǒng)的模擬示波器、波形記錄儀的顯示方式相同。

本系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如圖4所示,包括壓力的實(shí)時(shí)變化曲線和當(dāng)前數(shù)據(jù),并根據(jù)它們的變化幅度分6個(gè)等級(jí)進(jìn)行報(bào)警提示。控制面板部分還包括采集方式的設(shè)定、測(cè)試點(diǎn)數(shù)的設(shè)定和采集對(duì)象的設(shè)定，這些參數(shù)將在設(shè)定采集任務(wù)時(shí)使用。

圖4系統(tǒng)上位機(jī)畫(huà)面

4結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用虛擬儀器時(shí)間控制和網(wǎng)絡(luò)通訊方面的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，可以在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出基于虛擬儀器和單片機(jī)技術(shù)的汽車輪胎壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，節(jié)省了軟硬件開(kāi)發(fā)成本，也大大提高了汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度低和操作復(fù)雜等問(wèn)題。