基于单片机的轮胎压力检测报警器的设计与实现

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目 录

1 绪论 .............................................................. 1 1.1 课题的提出背景及研究意义 ........................................ 1 1.1.1 课题的提出背景 ................................................ 1 1.2 当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势 .......................... 2 1.2.1 TPMS 的应用现状 ............................................... 2 1.2.2 当前国内外相关技术的发展趋势 .................................. 3 2 汽车轮胎气压实时监测系统工作原理 .................................. 5 2.1 系统工作原理 ..................................................... 5 2.1.1 轮胎爆胎机理 .................................................. 5 2.1.2 轮胎气压实时监测算法 .......................................... 7 2.2 汽车轮胎气压实时监测系统方案设计 ................................ 8 2.2.1 系统方案论证 ................................................... 8 2.2.2 系统设计要求 .................................................. 9 2.2.3 系统方案设计 ................................................. 11 3 汽车轮胎气压实时监测系统的硬件设计 ............................... 13 3.1 系统硬件设计 ................................................... 13 3.2 轮胎模块设计 ................................................... 13 3.2.1 核心微控制器 MC68HC908RF2 .................................... 14 3.2.2 测量电路设计 ................................................. 15 3.2.3 发射电路设计 ................................................. 16 3.3 主机模块设计 ................................................... 19 3.3.1 核心微控制器 MC68HC908KX8 .................................... 19 3.3.2 接收电路设计 ................................................. 20 3.3.3 人机接口 ..................................................... 21 3.4 显示电路设计 ................................................... 23 3.5 系统功耗设计 ................................................... 24 3.6 系统硬件设计的抗干扰技术 ....................................... 26 4 汽车轮胎气压实时监测系统的软件设计 ............................... 27

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4.1 系统软件设计 ................................................... 27 4.2 MC68HC908 系列微控制器的程序开发 ............................... 27 4.2.1 汇编程序框架结构 ............................................. 28 4.2.2 汇编程序框架结构 ............................................. 28 4.3 轮胎模块的软件设计 ............................................. 29 4.3.1 轮胎模块的监控软件及其中断子程序 ............................. 30 4.3.2 传感器测量程序及算法 ......................................... 31 4.4 数据无线收发模块的软件设计 ..................................... 32 4.4.1 数据无线收发的通信协议 ........................................ 33 4.4.2 数据无线发射软件设计 ......................................... 34 4.4.3 数据无线接收软件设计 ......................................... 34 4.5 主机模块的监控软件设计 ......................................... 36 4.6 汽车轮胎气压实时检测系统软件设计的特点 ......................... 36 5 结论 ............................................................. 39 5.1 本文工作总结 ................................................... 39 5.2 今后待研究的问题 ............................................... 39 参 考 文 献 ......................................................... 41 致 谢 .............................................................. 43

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1 绪论

汽车时代的到来，改变的不仅仅是人们的代步方式，更有人们的生活方式乃至整个社会文化。同样，一个时代的典型核心技术产品也带动着整个产业的技术发展趋势。随着家用汽车对现代家庭日常生活的冲击，汽车的安全与环保，已不仅仅是汽车产品性能的体现，更代表着未来汽车工程科学与相关学科的发展方向。智能化系统无处不在地发挥着它们的效能，为人类社会文明进步、经济发展保驾护航，同样也被大量地应用到汽车产品上。把现代电子技术的发展成果应用到汽车产品上的汽车电子技术，必将有力地推动安全、环保的汽车时代的到来。 1.1 课题的提出背景及研究意义

轮胎气压实时检测系统是一种新型的主动直接式轮胎压力监测装置，在汽车

行驶时对轮胎气压进行实时自动监测一种先进主动式安全装置，国际上通常又被叫做轮胎压力监测系统，英文通称 Tire Pressure Monitoring System，简称 TPMS[1]。轮胎压力监测技术是当前汽车工业领域汽车电子技术发展的热点，符合未来汽车的智能安全及环保节能的发展方向，将成为未来汽车必备的安全驾驶配备之一，具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益。 1.1.1 课题的提出背景

轮胎是汽车行驶系统的重要部件之一，其性能的优劣，将直接影响汽车的行

车安全和运行效率。保持合适的轮胎压力是每个汽车驾驶员都应时刻关注的问题，轮胎充气压力超过或低于标准压力值，轻则增加车辆油耗，缩短轮胎使用寿命，重则威胁行车安全。轮胎气压不足，容易导致轮胎内壁帘线的松散断裂；轮胎气压高于标准值时，磨损加剧，花纹底部开裂，汽车的平顺性变坏，导致汽车操纵性能降低。行驶中如遇到障碍物的冲击，则易发生轮胎破裂，缩短轮胎的使用寿命，影响汽车的行驶安全性。统计数据表明，当轮胎压力低于其额定值 0.03MPa时，轮胎的正常使用寿命将会减少约 25%；当轮胎压力高于标准值 25%时，其寿命将会降低 15%~20%；对于轿车，其轮胎压力每下降 0.05MPa，其承载力就减少 100N[1]。根据德国联邦统计局的车辆事故统计数据，约 80%的轮胎漏气是由于轮胎气压不足造成的。可见，标准的轮胎压力对汽车的正常行驶极其重要，这在汽车高速行驶时显得更为突出。

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当汽车高速行驶时，如果轮胎压力低于标准值，轮胎会急剧升温而脱层，最后导致轮胎破裂漏气。另外，如果前轮左右轮胎的气压不同，其后果是汽车的行驶方向不稳定；如果后轮左右轮胎的气压不同，会造成局部超载而加剧轮胎的磨损；由于气压不同的双轮胎并装，使气压高的轮胎负荷过重而出现早期磨损或爆胎。安全专家指出：时速超过 160 公里以上，爆胎而造成的死亡率几乎接近 100%。在中国高速公路上发生的交通事故有 70%是由于爆胎引起的，而在美国这一比例高达 80%，每年有 26 万起交通事故是由于轮胎压力偏低、偏高或渗漏引起的，造成巨大的经济损失和生命危害。

综上所述，本文的研究意义主要体现在以下几方面：

首先，随着我国汽车工业的发展和人民生活水平的提高，汽车越来越多地进入普通家庭，汽车行驶的安全性也越来越为人们所重视。潜在的巨大市场需求和系统实现上的技术可行性条件成熟，使得研究轮胎压力和温度监测系统已刻不容缓。

最后，随着美国政府出台对汽车轮胎压力监测产品强制性安装的法规，欧洲和日本也处于建议安装阶段，使得这一技术的应用前景极为看好。良好的应用前景和巨大的市场规模将有力地推动该技术的推广，并取得巨大的经济效益和社会效益。

1.2 当前国内外相关技术的应用现状及发展趋势

轮胎压力监测系统（TPMS）技术早在上世纪 80 年代就已提出，但由于当时缺乏有效的技术条件和成熟的市场环境，而仅停留在设想层面上。随着近几年来汽车工业和交通事业的发展，汽车的速度越来越高，拥有汽车的家庭越来越多，由轮胎爆胎引发的大量交通安全事故使这一课题成为研究热点。结合新的无线射频应用技术和集成电路工艺，研制 TPMS 已经提到日程上来。 1.2.1 TPMS 的应用现状

在 TPMS 及相关技术的研究发面，西方汽车工业发达国家在近几年都取得了

相应的进展，出现了一批新产品。早在 1996 年丰田就有一种系统产品应用于当时生产的 MarkⅡ型车上。但该系统不能直接测量轮胎压力，并存在容易产生误差的因素，数据的时效性与准确性也存在不足。2002 年，约翰逊公司的轮胎压力实时监测系统被国际汽车工程（AEl）评为当年 20 个最有价值的汽车产品之首。

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这个系统包括一个特殊设计的车内后视镜、四个胎压传感器和发射、接收设备。系统工作时胎压数据是通过集成在轮胎气门阀内的发射机传送给风挡内的集成接收机，然后在后视镜上利用射频技术显示出来。这个系统在工作时可以将每个轮胎的压力数据实时显示，有较高的实用性和可行性。此外，还有一些同类相关产品问世，如西门子 VDO 汽车配件公司自主开发的轮胎哨兵（Tire Guard）监测装置，英国 A.I.R.汽车配件公司生产和销售的轮胎守护神（Tire Shield）监测装置；法国米其林集团公司与威柏可（Wabco）公司合作开发的一种轮胎充气内压监测装置，是专供商用车使用的监测装置；德国 BEAU 公司与美国 Lear 公司联合推出的轮胎压力实时监测系统，将电子门锁装置与系统集成在一起，是近期推出的一种极具价格竞争力的整体解决方案。

从最近发布的世界新车资料中得知，林肯大陆、奔驰、宝马、标志、道奇等中高档车均安装了 TPMS。从以上这些目前国际市场上的汽车轮胎压力监测技术产品来看，通过对轮胎压力的监测来实现预防轮胎行车故障进而提升汽车安全性能，已成为当前汽车安全技术的新发展方向，也揭示了一种新的行车安全防范理念。美国及欧洲一些技术先进国家开展轮胎压力监测装置技术的研究很早，而轮胎压力监测装置技术在中国的发展还很滞后。目前，国内轮胎压力监测装置的相关产品虽然推出较多，但据对相关市场的调查了解，都是技术性能不甚完善、可靠性较差的简易系统产品，要么系统工作寿命极短，要么系统在低温或高温环境下失效，要么工作可靠性较差，在这方面的技术成熟产品基本还是空白。性能可靠、功能完善、技术成熟的均是一些国外公司品牌产品的代理，如来自日本的汽车轮胎压力监测装置“汽管严”，但价格高昂。因此，研制性能可靠、技术完善且价格能为当前多数国内消费者所接受的轮胎压力监测技术产品很有必要。 1.2.2 当前国内外相关技术的发展趋势

当今的汽车轮胎压力监测系统在实现方式上可以归类为直接轮胎压力监测装置和间接轮胎压力监测装置[2]。

直接轮胎压力监测装置，要求在每个轮胎内使用压力传感器，并安装无线发射器，用于将压力信息从轮胎内部发送到中央接收器模块上的主机系统。

间接轮胎压力监测装置，要求使用车辆防抱死制动系统（ABS）来确定轮胎压力变化。ABS 是通过车速传感器来确定车轮是否抱死，从而决定是否启动防抱

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死系统。对于在 4 个轮子上都装有车轮速度传感器的系统来说，此类软件的升级可以用于监测车速的变化，轮胎压力变低也会导致车速发生变化。当轮胎压力降低时，车辆的重量会使轮胎直径变小，这反过来会导致车速发生变化。经过正确计算，这种车速变化可用于轮胎压力判别，并触发警报系统来向司机发出警告。

每个系统都有自己的优点。直接系统可以提供更高级的功能，使用中可以随时测定每个轮胎内部的实际瞬压，很容易确定故障轮胎。间接系统相对便宜，使用间接系统，已经装备了 4 轮 ABS（每个轮胎装备 1 个轮速传感器）的汽车只需对软件进行升级。根据美国交通部门的统计，在2000年时，安装了ABS系统的车辆已占总车辆数的67%。但是，目前这类系统没有直接系统准确率高，它根本不能确定故障轮胎，而且系统校准极其复杂。此外，在某些情况下此类系统会无法正常工作：例如同一车轴的2个轮胎气压都低。

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2 汽车轮胎气压实时监测系统工作原理

轮胎是汽车行驶系统的重要部件，其性能的优劣，将直接影响汽车的驱动性、通过性、平顺性、稳定性、安全性和舒适性等。在汽车高速行驶过程中，轮胎爆胎是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。因此，汽车轮胎气压实时监测系统的研制在提高行车安全、延长轮胎寿命等方面都有着重大的现实意义。本章主要来介绍汽车轮胎气压实时监测系统的工作原理。 2.1 系统工作原理 2.1.1 轮胎爆胎机理

目前，国内由轮胎故障引起的突发交通事故的直接原因主要是轮胎充气压力的不足或过高。同时，国内的轮胎爆裂突发交通事故中也存在着其它人为因素影响。由于技术解决方案是有针对性地解决技术领域内的问题，所以，对汽车高速行驶状态下存在的轮胎结构选用不当、实际行驶速度高于轮胎规定速度、轮胎花纹过度磨耗、胎体意外损伤及违规超载等因素，这里不作讨论范围。

（1）充气压力对轮胎爆胎的影响

气压是轮胎的生命，掌握轮胎的标准充气压力，并按标准充气压力对轮胎充气是非常重要的。轮胎制造商在设计制造各种规格的轮胎时，已确定了它的最大负荷和相应的标准充气压力，充气压力过高和过低都会缩短轮胎的使用寿命。试验数据表明，当轮胎压力低于其额定值 0.03MPa 时，轮胎的正常使用寿命将会减少约 25%；当轮胎压力高于标准值 25%时，其寿命将会降低 15%～20%。充气压力过低，轮胎胎体变形过大，会产生过度屈挠运动，使内层受到的压缩力与外层受到的伸张力远远超过允许屈挠极限，造成轮胎过度生热，从而导致橡胶老化加速和帘布层脱层，严重时甚至会致使帘线折断，轮胎瞬间爆破。同时充气压力过低，轮胎的接地面积增大，胎肩的磨损加剧。如果双胎并装中有一条轮胎气压不足，行驶中大部分负荷将集中到另一条轮胎上，常常会造成这条轮胎严重超载。就车辆来说，轮胎充气压力过低，会造成轮胎侧偏刚度下降，拖矩增大，车辆的制动性能变坏，在高速行驶的条件下遇到紧急情况会非常危险[3]。气压过高，轮胎帘线受到过度的伸张变形，胎体弹性降低，车辆高速行驶时受到的动载荷（震动、应力来不及分散）增大，如再受到冲击，轮胎会产生内裂或爆破。气压过高，轮胎的接地面积还会相对减小，以致胎冠中部在加快磨损的同时温度急剧上升，

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使胎冠容易爆破。气压过高还会致使轮胎减震性能变劣，导致车辆底盘部件损坏，使轮胎接地附着力下降，车辆的制动效果降低，成为高速行车的安全隐患。在汽车高速行驶过程中，轮胎气压低于标准值时，将加大胎侧的弯曲变形，轮胎会急剧升温而脱层，削弱轮胎的强度及承载能力，导致轮胎内壁帘线的松散断裂，最后导致轮胎的漏气或爆胎；轮胎气压高于标准值时，轮胎与路面接触面积减小，轮胎胎面中部区域承受的压力增大，使轮胎磨损加剧，形成花纹底部开裂。又由于此时轮胎刚度增大，起不到应有的缓冲作用，增大了轮胎与路面间的动载荷，使汽车的平顺性变差，导致汽车操纵性能降低。另外，如果汽车前轮左右轮胎的气压不同，其后果是汽车的行驶方向不稳定；如果汽车后轮左右轮胎的气压不同，会使气压高的轮胎负载过重而出现磨损或爆胎。保持适合的轮胎气压不但可以保证轮胎的工作寿命，减少不必要的燃油消耗，更对汽车的安全行驶起着关键作用。

（2）温度对轮胎爆胎的影响

轮胎在行驶过程中会因生热而出现温度大幅度升高现象。轮胎温度的升高除会使橡胶强度降低外，还会导致帘线强力降低。当轮胎温度从 0℃升高到100℃时，对尼龙轮胎来说，帘线强力会降低 20%左右，橡胶强度则下降 50%左右；轮胎温度高于临界温度（100℃以内是正常温度，100～121℃是临界温度，121℃以上是危险温度）时，橡胶强度和帘线强力降低更多，因此轮胎的温升对其使用寿命的影响很大。汽车在行驶过程中，特别是在高速公路上高速行驶时，驾驶员即使没有操作失误，轮胎也会突然爆破。究其原因，主要是与轮胎温升的影响有关，即轮胎会由于超过正常温度而爆破，而在轮胎爆破以前，其受热破坏的情况通常不易控制和掌握。当胎内温度超过 120℃时，轮胎结构层的强度将明显下降；当轮胎温度超过硫化点（140℃）时，轮胎的各组成部分将被破坏，失去承载能力

[5]

[4]

。由此可见，轮胎温升对轮胎使用寿命长短以及高速行驶状态下的爆胎发生率

的影响很大。

（3）其它因素对轮胎爆胎的影响

一般来说，行驶速度越高，轮胎在单位时间内与地面的接触次数越多，摩擦越频繁，变形频率越大；同时由于胎体的振动，周向和侧向产生的扭曲变形增大。当轮胎的转速达到临界转速时，胎冠表面的振动呈波浪形，即形成所谓的“驻波”，

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也叫静止波。静止波的滞后损失（轮胎的弹性变形来不及恢复造成）使轮胎压力与温度急剧上升，有可能在几分钟内就导致轮胎爆破[6]。显然，速度越高，振动频率越大，变形恢复越少（大部分变形转变为热能），轮胎温升越高，再加之内压增大，其后果必然是帘布胶的老化加速和帘布的耐疲劳性能降低，轮胎出现早期脱层或爆破现象。因此，轮胎的使用寿命与行驶速度成反比关系，即行驶速度越高，轮胎的生热越大，温升越高，受到的冲击力也就越大。在这种高速高温情况下，轮胎的胎面磨损加快，早期肩空、冠空甚至爆破的情况会随时发生。车辆装载时，必须按轮胎的额定负荷装载客货。这是因为各类轮胎的额定负荷是根据轮胎的结构、帘布层数、强度以及标准气压和行车速度等设计的。如果轮胎在超负荷下运行，就会使其变形，特别是胎侧的弯曲变形增大，使胎肩部位的磨损加重。同时，胎体材料的分子摩擦及部件的机械摩擦也会导致轮胎内部温度升高和胎体帘布层脱层，从而加速轮胎的损坏[7]。总之，车辆超载越多，胎体的屈挠伸张越大，轮胎的升温速度越快，在高速公路上高速行驶时爆破的可能性就越大。

此外，还有轮胎质量以及轮辋尺寸等影响轮胎气压实时监测的因素。从以上轮胎爆胎的主要原因分析来看，要想在汽车行驶过程中防范气压监测重大误差的发生，除了加强交通运输规章管理、轮胎选型合理等人为措施以外，最直接有效的办法就是对轮胎的压力和温度状态进行实时监控。 2.1.2 轮胎气压实时监测算法

行车的安全以及高效率的运行要依赖于优良的轮胎性能，而对轮胎性能的实时掌握，必须要对轮胎的工作状态进行监控，根据轮胎状态参数的变化情况及时做出科学准确的判断，以预防危及行车安全的轮胎故障发生。在汽车由于轮胎而引发的事故的诱发因素中，分为不可避免因素和可避免因素两大类情况。其中，行车环境中变化的气温以及粗糙的路况等因素属于不可避免因素；适合的轮胎气压以及良好的驾驶习惯等因素属于可避免因素。对于不可避免因素，只能提高重视、加强警惕，将不可预测的偶然性因素造成的损失降到最小。而本文所讨论的技术问题，只有针对可避免因素中那些采取技术措施可以预防的环节，通过监测可控因素来达到对轮胎爆胎的预警，才是合理有效的技术解决途径。综合上一小节本文对轮胎爆胎机理及影响因素的分析， 轮胎充气过度会导致抓地力下降，影响到汽车的舒适性、保护功能和轮胎寿命；同时轮胎会对冲击或碰撞较敏感，刹

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车性能降低。充气不足可能会导致油耗增大、轮胎过热、车辆操控不良，安全性能下降；引起胎体疲劳导致轮胎工作不佳或者无法修复及翻新，形成爆胎的隐患。如发现轮胎压力低于标准气压 20% ，即使临时补气，也只是紧急情况下不得已的缓冲之计，无法从根本上解决问题[8]。必须尽快到就近的轮胎店将轮胎拆下来，由专业人员进行检查，否则可能会导致严重伤亡事故。若认为轮腔内的气压过高或过低都不会直接导致轮胎爆胎，只有胎体强度的下降才是导致爆胎的真正原因，通过监控胎体的结构变化来预防爆胎，不但实现起来比较困难，而且只能在轮胎出现事故前很短时间内监测到异常，虽然报警准确率会很高，但留给驾驶员处理故障的反应时间太短。因此，当前轮胎气压实时监测系统的预警算法主要集中在对工作状态下的轮胎压力和温度进行监控，这是当前比较容易实现同时也是比较有效的技术途径。以传感器技术和现代电子技术来实现上述监测功能，可以将轮胎实时监测系统算法细分为以下几种情况。

（1）充气压力不足或过高：也就是根据事先确定好的标准轮胎压力为门限阈值，对实测轮胎压力值进行判别，超出最大压力值或低于最小压力值就视为轮胎状态异常。

（2）漏气导致压力持续下降：在轮胎温度比较稳定情况下，一定时间间隔内，轮胎压力连续下降且幅度较大，即使未达到（1）中异常条件，也视为轮胎状态异常。

（3）轮胎温度急剧升高：在一定时间间隔内，轮胎温度上升幅度较大，即使未达到（1）中异常条件，也视为轮胎状态异常。对以上监测算法的具体实现，如标准轮胎压力值的确定、一定时间间隔的长短、压力和温度较大幅度变化的幅值等，都需要针对具体车型和轮胎型号进行具体分析与试验，才能最终得到准确可靠的气压监测算法。

2.2 汽车轮胎气压实时监测系统方案设计 2.2.1 系统方案论证

就目前情况看，轮胎压力监测技术的种类繁多。按适用对象分类，可分为轿车专用、商用车专用、汽车/大型工程机械专用；按监测技术分类，可分为主动式和被动式；按功能分类，分为只监测充气压力的单一型，集监测充气压力、温度、

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受力于一身的综合型；按传感器的安装方式分类，可分为悬挂式和植入式。下面着重介绍几种方案：

（1）磁敏法检测轮胎压力

通过霍尔装置采用磁敏检测法检测轮胎的充气压力。其中轮胎气压传感器安装在车轮轮辋上，而霍尔装置安装在与悬架支柱固接的托架或车轮制动底板上。汽车行驶时，轮胎气压变化引起压力传感器中磁性元件磁场方向变化，从而使通过霍尔装置磁敏元件的磁感应强度变化，霍尔装置的输出信号随之变化，由此实现充气压力信号由轮胎至车体的非接触传递。车体的控制单元对经过调理的霍尔装置输出信号进行采样，并将数据送入存储器中，经运算分析和比较判断，得到轮胎压力值及其状态。该方案优点是抗干扰能力和可靠性较好，但系统测量精度难以保证。

（2）数字集成压力传感器及无线射频数据传输

随着集成电路制造技术的发展，出现了新型制造工艺表面微机械加工（MEMS），应用该技术制造出的集成多种功能的传感器芯片，克服了早期压力传感器体积较大、只能模拟量输出等不易应用于汽车轮胎压力实时监测的条件限制，为 TPMS 技术的发展和普及提供了坚实的基础。

目前的轮胎压力监测系统主要以无线传输/电子测量为主要的工作方式，并逐步以此进入产业化阶段。然而不同车辆不同地区对这个系统的要求是各不相同的，这些问题将随着轮胎压力监测系统的不断发展和完善而得到解决[10]。

本文研制的轮胎气压实时检测系统采用当今比较流行的数字集成传感器加无线射频数据传输的系统模式。 2.2.2 系统设计要求 （1）系统工作环境

轮胎气压实时监测系统是用来实时监控汽车轮胎的工作状态的。为实时测得轮胎的压力数据，其具有数据测量功能的轮胎模块需要安装在汽车轮胎内部，工作在轮胎封闭的环境中。对有内胎轮胎，轮胎模块安装在内胎外面的垫胎上或嵌入垫胎中；对无内胎轮胎，轮胎模块可固定安装在轮辋上。由于在汽车行驶过程中，轮胎始终处于高速旋转状态，因而在数据的传输方式上不能采用有线方式。结合汽车行驶中的复杂环境，能够让驾驶员及时可靠地得到预警报警信息，通过

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无线射频通信方式来传输轮胎数据信息是最佳选择。图2.1是安置在轮胎内部的轮胎模块的无线发射示意图。

由于轮胎在汽车行驶过程中的高速旋转和震动，安置于轮胎内部的轮胎模块必须固定牢靠。当发射电路随着轮胎旋转到远离主机位置（如图 2-1 的位置 2）时，由于金属轮辋对信号的屏蔽作用，主机模块接收灵敏度将会有所下降。但在轮胎高速旋转状态下不会对系统的可靠性产生影响。系统工作在室外现场环境，须有较宽的工作温度范围。

图2.1 轮胎模块无线发射示意图

（2）系统功能要求

轮胎气压实时监测系统主要用于实时监测汽车轮胎的工作状态，对轮胎压力异常或漏气给予实时数据读取并显示，加强汽车高速行驶的行车安全性。

本课题研究的系统是新型的主动直接式轮胎压力监测产品。系统在汽车行驶状态下通过置于轮胎内部的轮胎模块实时测量轮胎压力，通过射频发射模式将测得的轮胎状态信息发送到驾驶室内的系统主机，定时通过主机显示各轮胎的当前状况，让驾驶员直观了解轮胎的实时状态信息。在汽车轮胎的使用过程中，轮胎胎面会逐渐被磨耗。但由于各车轮受力不同，轮胎在路面的滑动量不同，以及受拱型路面的影响，使汽车的前后轮、左右轮的磨损速度不同。有的轮胎磨损重，有的磨损轻，甚至还会出现轮胎的单边磨损不均匀。为了延长轮胎的使用寿命，必须定期对轮胎进行换位，这是汽车轮胎保养的有效方法。轮胎的维护换位能够提高轮胎行驶里程、平衡胎体疲劳强度和磨损。因此，研制的系统必须具有轮胎换位后的重新定位功能。汽车轮胎气压实时监测系统的系统功能要求归纳如下：

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①实时监测各个轮胎的压力状态情况； ②并显示该轮胎当前的具体压力状况； ③轮胎保养换位后可重新对各轮胎进行定位。 （3）系统技术要求

结合前文所述，给出系统主要技术指标要求：体积小，重量轻，便于保持轮胎的动平衡；功耗低，轮胎模块的功耗尽可能要低，使用过程中不用更换电池即可以长期工作；适当的有效发射接收范围，使驾驶室内的主机及时可靠地接收到发送来的信息；较高的压力测量精度，要求达到±0.01Mpa 以上；考虑到技术推广和产品化，要保持合理的全套系统成本。 2.2.3 系统方案设计

本文采用主动直接式轮胎压力监测技术，针对轮胎气压实时监测系统的实际应用情况，确定轮胎气压实时监测系统由轮胎模块和主机模块两部分构成的系统研制方案。系统设计方案框图如图2.2所示。

图2.2汽车轮胎气压实时监测系统组成

轮胎模块以 MEMS 压力温度集成传感器和 MC68HC908 系列微控制器为核心，实现轮胎压力的检测，以及测量数据的初步处理，微控制器通过超高频（UHF）发射器将采集的数据进行无线传输。主机模块由 UHF 接收器和 MC68HC908 系列微控制器构成，完成信号的接收、解调、处理、和显示。所以可以连续监测轮胎气压，并读取出实时数据。主机模块微控制器对报警信息进行确认，由于系统的轮胎模块和主机模块间是通过无线射频方式进行数据通信，因此，必须确定符合系统应用要求的无线通信模式。

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通信方案是以数据9600bps 的速率发送，采用 FSK 调制的曼彻斯特编码。移频键控（FSK）是数字通信中经常使用的一种调制方式。FSK 方法简单，易于实现，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强。缺点是占用频带较宽，频带利用不够经济。因此，FSK 主要应用于低、中速数据传输。曼彻斯特（Manchester）编码是常用的数字信号编码之一。在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分 1 和 0。因此，这种编码也称为相位编码。由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟。本文研制的系统需要传送的数据量很少，仅是必要的轮胎 ID 识别码、压力数据及一些状态信息，加之需要保证数据传输的可靠性和到达率，因此，选用上述无线射频通信模式是比较合适的。系统核心器件采用的是 Motorola 微控制器。Motorola 一直是世界上最大的单片机厂商之一，其单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel 类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合应用于工控领域及恶劣的工作环境，且价格合理。考虑轮胎模块微控制器 MC68HC908RF2 内置的 UHF 发射器，则主机模块接收器选择与其对应的UHF接收器MC33594。轮胎模块传感器采用MEMS传感器 MPXY8020A，该器件不但功耗低，带有数字接口，还同时集成了压力传感模块，十分适合本文所研制系统的技术要求。

对于进一步的系统方案设计情况，本文将在今后两章中，按硬件设计和软件设计加以详细介绍。

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3 汽车轮胎气压实时监测系统的硬件设计

本文所研制的汽车轮胎气压实时监测系统主要由系统硬件和监控软件两部分组成。本章将详细介绍系统的硬件设计工作，并兼顾在硬件设计过程中需要注意的一些问题。 3.1 系统硬件设计

汽车轮胎气压实时监测系统的硬件电路按系统功能划分，可分为轮胎模块和主机模块两大部分。其中，轮胎模块整体安装在轮胎内，主要完成轮胎压力和温度数据的采集、数据的初步处理以及信息的无线传输功能。主机模块安置于汽车驾驶室内，主要完成信息的无线接收、数据的区分处理、声光报警控制以及系统

特征值设定等功能。系统硬件功能框图如图3.1所示。

图3.1 系统硬件功能模块框图

在系统的工作运行中，轮胎模块始终处于封闭环境中，驾驶室内的系统主机必须依靠无线方式来完成数据信息的传输，才能将轮胎的状态信息实时地提供给驾驶员。因此，轮胎模块与主机模块之间的无线通信是实现系统功能的关键，同时，这也是系统硬件设计工作的重点之一。 3.2 轮胎模块设计

在不断高速旋转的轮胎内部这样的封闭工作环境中，要求轮胎模块体积尽量小、重量尽量轻。为此，在设计中尽量减少芯片外围器件的数量，以设计出 PCB 面积较小的轮胎模块电路。图 3.2 是系统的轮胎模块功能原理框图

由轮胎模块实现的系统功能，可分为核心微控制器、测量电路和发射电路 3 个部分加以详述。其中微控制器 MC68HC908RF2 为轮胎模块的控制和数据处理核心单元，与集成传感器一起完成轮胎的压力测量，微控制器MC68HC908RF2 内部自带的射频发射器与其匹配的外围器件一起构成发射电路。

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图3.2 轮胎模块功能原理框图

3.2.1 核心微控制器 MC68HC908RF2

微控制器 MC68HC908RF2 是由 Freescale 公司（前 Motorola 公司半导体部）设计生产的 M68HC08 系列 8 位微控制器单元（MCU），其突出特点就是低功耗、高性能。MC68HC08 系列微控制器基于不同的用户群需求，采取专用集成的设计理念，提供了适合特殊应用需求的、具有多种外围功能模块搭配的微控制器。该系列所有的微控制器均使用了增强的 MC68HC08 中央处理器单元（CPU08）。为了实现低功耗及 32 引脚的超小外形封装（LQFP），MC68HC908RF2还进行了优化设计，特别是其内部自带的射频发射器，非常适合应用于本系统的设计，其具有如下特性：

高性能的 MC68HC08 结构；工作电压在 3.3V 时，内部总线频率最大可达 4MHz；在 1.8V 电压时，内部总线频率最大可达 2MHz；无需任何外围器件的内部振荡器，软件选择内部振荡器频率，可校正精确到±2%，也可选择使用外部时钟源或晶体/陶瓷谐振器；可加密的 2K 字节 Flash 程序存储器；128 字节的 RAM；16 位、双通道定时器接口模式（TIM）；12 个通用输入/输出（I/O）端口，其中 6 个带有键盘唤醒功能，2 个与定时器模块共用；低电压禁止（LVI）模式，检测到芯片电源电压降到 1.85V 时，置MCU 复位，检测到 2.0V 时，置指示器标志位；具有唤醒特征的 6 位键盘中断；芯片内部集成有超高频（UHF）发射器；具有多重系统保护特征：计算机正常工作（COP）复位，低压检测复位，非法操作代码检测复位，非法地址检测复位；带有停止和等待模式的低功耗设计[11]。MC68HC908RF2 是轮胎模块的核心器件，既作为测量监控的微控制器，同时还内置有 UHF 发射器。其标准工作电压为 3V，最低可工作在 1.8V 电压下，芯

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片工作温度范围－40℃～＋80℃，能够承受恶劣的室外环境。MC68HC908RF2 微控制器部分的工作并不需要外部晶振，因为带有一个内部时钟发生器（ICG），通过软件设定可以得到一个满足其可靠工作要求的时钟频率[12，13]。 3.2.2 测量电路设计

MPXY8020A 是 Freescale 公司的 8 引脚集成传感器，它在一个芯片上集成了可变电容的压力传感单元、温度传感单元和数字接口电路（具有唤醒特性），能够同时对轮胎的压力和温度数据进行测量，并实现测量结果的数字化输出。该传感器具有 2.1V～3.6V 的宽范围工作电压，工作温度为－40℃～＋125℃，功耗低，能够在封闭的轮胎内部可靠工作。该传感器的压力传感单元是采用表面微机械加工（MEMS）而成的电容性传感器，温度传感单元则由集成扩散电阻构成。压力信号的状态首先是由开关电容放大器把电容转换成电压，由电压比较器与串行输入的 8 位可编程门限电平比较，通过调整门限电平和检测引脚 OUT 的状态，外部设备就可以获知门限电平是否被打破，或执行 8 位 A/D 转换。一个双通道的多路选择器可以把压力信号送到采样电容器，得到数字化压力数据的输出过程。如表3.1，传感器的几种工作模式是通过引脚 S1 和 S2 上的输入电压来选择的。测量结果模拟到数字的转换是通过 8 级门限电平比较，采用连续逼近算法来实现的。以电压方式存储测量结果的采样电容器，其电压能保持到足够完成一次 8 位的 A/D 转换。

表3.1 MPXY8020A的工作模式

S1 0 0 1 1 S0 工作模式 0 1 0 1 空闲/复位 压力测量 温度测量 数据输出 工作电路 压力测 温度测 A/D输 LFO 量系统 量系统 出比较 晶振动 OFF OFF OFF ON ON OFF OFF ON OFF ON OFF ON OFF OFF ON ON 串行 数据 计算器 工作 复位 复位 工作 根据图3.2 所示传感器与微控制器之间的控制关系，如图3.3 所示，是具体的轮胎模块测量电路图。MC68HC908RF2 通过控制引脚 S1 和 S2 的电平来选择不同的工作模式。在数据输出模式下，通过引脚 DATA 将表示比较电平的 8位数据伴随引脚 CLK 上的同步脉冲输入传感器，比较电平与存储测量结果的采

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样电容

图3.3 轮胎模块测量电路图

器间的比较结果可以从引脚 OUT 上读出，以此得到数字化的 8位测量数据。在传感器内部低频振荡器控制下，引脚RST 大约每 52 分钟发出一个复位脉冲，可以起到对其它器件的复位或者唤醒功能。 3.2.3 发射电路设计

发射电路是实现轮胎模块与主机模块之间通信的硬件连接，主要由超高频（UHF）发射器、外围电路、匹配网络和印刷天线构成。MC68HC908RF2 微控制器内部集成的射频发射模块，实际上就是 UHF发射器 MC33493，它是与主机模块的 UHF 接收器 MC33594 相对应的射频发射芯片。其主要特性如下：具有多个发射频段：315MHz，434MHz 和 868MHz；开关键控（OOK）和频移键控（FSK）的调制模式；可调输出功率范围；全集成的压控振荡器（VCO）；极低的待机电流：；低于电源电压停工；面向微控制器的数据时钟输出；较少的外围器件数量[14]。该发射器是一个锁相环（PLL）调谐的低功率超高频发射器。由微控制器通过几个数字输入引脚来控制不同的工作模式。1.9V～3.7V 的电源电压只由一块锂电池供电就可工作。内部振荡器 VCO 完全集成了相位频率检测器和环形滤波器。外接的晶体振荡器为发射器的锁相环提供参考频率，通过 VCO 后得到数

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据发射所需的输出频率。准确的发射输出频率可由式（3.1）得出：

fRFOUT?fXTAL?PLL 分频比 （3.1）

发射器通过引脚 BAND 来选择数据的发射频段。按表3.2 给出的发射器频段选择及相应的匹配晶体振荡器频率，可以根据应用需要来选择外接的晶体振荡器的频率。

表3.2 频带选择及附加分频器比率

BAND引角 频段 输入电平 （MHz） 315 高电平 434 低电平 868 锁相环（PLL） 晶体振荡器频率 分频比 （MHz） 9.84 32 13.56 64

微控制器通过 4 个数字输入引脚（ENABLE，DATA，BAND 和 MODE）来控制这个发射电路，用于 UHF 发射器的控制和数据输入。发射机提供一个数字输出引脚（DATACLK）给微控制器，用于给串行输入数据提供参考同步脉冲。如表 3.3 所示，发射器为输入数据提供的同步脉冲频率为外接晶体振荡器频率除以 64。

表3.3 相对晶体振荡器频率的 DATACLK 频率

晶体振荡器频率 DATACLK频率 （MHz） （KHz） 9.86 154 13.56 212 一个完整的发射/接收电路不仅仅只是UHF发射/接收器及其外围器件的简单连接，还要有适合数据发射/接收的匹配网络（Matching Network）和天线（Antenna）。图3.4是射频发射/接收电路基本结构框图。

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图3.4 射频发射/接收电路基本结构框图

在射频电路设计中，为实现最大功率传输，在源和负载之间以及各模块之间插入一个无源网络，通常这种无源网络被称为匹配网络。实际的匹配网络不仅仅可以减小功率损耗，它们还具有减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等功能。

天线是无线射频通信系统中不可或缺的组成部分。无线通信是靠空间的电磁波来传递信息，而电磁波的产生和接收都必须由天线来完成。图 3-5 是具体的轮胎模块发射电路图，给出了超高频（UHF）发射器的外围电路和匹配网络的具体连接。

表3.4是图3.5发射电路中发射器的外围器件说明。该发射电路图的发射频段为 433.92MHz，采用 FSK 数据调制模式。微控制器与定时器模块共用的引脚连接发射器的引脚 DATACLK 和 DATA，以在向发射器输入数据时依靠准确定时与数据速率同步。图中标值为 N/C 的电阻和电容是可选器件，根据发射数据的调制方式和发射电路的发射功率来决定是否连接。根据系统采用的射频通信方案为FSK 数据调制模式，发射频段433.92MHz，轮胎模块到主机模块的发射距离短，5 米以内即可，发射功率小。所以，图 3.5 中的 R3 和 C8 处空出不接，并根据表 3.5，C5 选择 10pF。轮胎模块总电路可参看附录A。

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图3.5 轮胎模块发射电路图

表3.4发射电路外围器件说明 器件 Y1 震荡器 R1 C2 C3 C4 C5 RF 输出电平设置电阻（REXT） 电源去耦电容 震荡负载电容 仅用于 FSK 模式的振荡器牵引电容 功能 取值 315MHz 频段，参看表 3-2 434MHz 频段，参看表 3-2 868MHz 频段，参看表 3-2 12 100 22 OOK 调制模式：18 FSK 调制模式：27 请看表 3-5 MHz MHz MHz KΩ pF nF pF pF pF

表3.5 相对载波频率总体偏差的晶体振荡器牵引电容取值 载波频率 （MHz） 434 载波频率总偏移 （kHz） 40 70 100 868 80 140 200 电容取值 （pF） 18 10 6．8 18 10 6．8 轮胎模块 UHF 发射电路的发射匹配网络由电感 L1、电容 C6 和 C7 组成。 3.3 主机模块设计

位于驾驶室内的主机模块，主要完成信息的无线接收、数据的区分处理、声光报警控制以及系统特征值设定等功能。根据主机模块的实现功能，将其细分为核心微控制器、接收电路、人机接口和显示及报警电路四个部分详述。其中，实现信息显示的系统外围显示及报警电路将在下节介绍。主机模块总体电路参看附录B。

3.3.1 核心微控制器 MC68HC908KX8

MC68HC908KX8 和轮胎模块的核心微控制器一样，同属于 Freescale 公司的 MC68HC908 系列微控制器，具有相同的中央处理器，只是在被集成的具体外围功能模块上略有不同。其具有如下特性：工作电压为 5V 时，内部总线频率最

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大可达 8MHz；为 3V 时，内部总线频率最大可达 4MHz；无需任何外围器件的内部振荡器，软件选择内部振荡器频率，可校正精确到±2%，也可选择使用外部时钟源或晶体/陶瓷谐振器；可加密的 8K 字节 Flash 程序存储器；192 字节的 RAM；串行通信接口（SCI）模块；时基模块（TBM）：提供分频比可选的周期性实时中断；13 个通用输入/输出（I/O）端口，其中 5 个带有键盘唤醒功能，2 个与 SCI 模块共用；可编程的低于电源电压停工，2.6V 或 4.3V 可选。MC68HC908KX8 是主机模块的核心器件之一，作为主机模块的微控制器，实时接收并处理射频接收器收到的轮胎测量数据，并控制显示及报警电路 的 工作， 同时留有一个可与PC机通信的 RS-232 接 口 。尽管MC68HC908KX8 也有内部时钟发生器，但其串行通讯接口（SCI）要求非常精确的定时，所以，还是需要一个外部晶体振荡器。MC68HC908KX8 的工作电压有 2 个，3V 或 5V 均可，工作温度范围－40℃～＋125℃。但为了统一主机模块电路的工作电压，方便电路的设计，MC68HC908KX8 采用 5V 的工作电压。MC68HC908KX 的 I/O 口资源较少，但因为其具有可靠的性能、较低的价格和符合设计要求的芯片内部资源，还是本系统芯片选型的合适对象。 3.3.2 接收电路设计

MC33594是与MC33493相对应的单片集成PLL调谐UHF数据接收器。该芯片内含660kHz的中频带通滤波器、完整的压控振荡器（VCO）、可消除镜像的混频器、曼彻斯特编码时钟再生电路以及完整的SPI接口，可用于设计315MHz/ 434MHz的OOK/FSK接收电路。MC33594芯片内部结构可分为射频部分和控制部分。射频部分由能消除镜像干扰的混频器、660kHz的中频带通滤波器、自动增益控制级和OOK/FSK解调器组成；控制部分则包含有数据管理器、配置寄存器、串行接口、状态控制器等。MC33594的串行接口采用Motorola公司开发的三线制SPI（Serial Peripheral Interface）串行外部接口总线协议。通过SPI接口可对UHF接收器的数据解调类型、数据率、UHF频段、ID控制字等进行初始化编程，接收到的数据也可以在数据管理器工作时从SPI端口输出。MC33594与微控制器之间的通信一般通过SPI进行，其SPI接口通过以下三个输入/输出引脚来实现操作：串行时钟SCLK；主控输出受控输入MOSI；主控输入受控输出MISO[15]。微控制器可通过引脚STROBE选通MC33594，也可让MC33594内部工作在等待-第 20 页 共 43 页

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休眠循环模式下来降低功耗，在引脚STROBE上加高电平就能将处于休眠状态的MC33594激活。当接收电路工作在315MHz频段时，应选择9.864375MHz晶振；工作在434MHz时，选13. 580625MHz的晶振。图3-6是主机模块MC33594的接收电路图。表3.6是该接收电路图的器件功能说明。与发射电路相对应的是，接

收电路同样工作在

图3.6 MC33594接收电路图

433.92MHz频段，MC33594的50Ω匹配网络由电感 L1、电容C5和C7构成，其中电感取值 68nH±2%，电容 C5＝1.5pF±10% ，C7=100pF±10%。 当 MC33594 工作在 FSK 模式下，按表 3.7所示，选择最大传输数据速率时，C10 取 10nF，即 0.01μF。 3.3.3 人机接口

为了在系统调试安装时便于对一些特征数据进行更新定义，系统保留了一个 RS－232 串行接口。在轮胎换位后，需要对各位置轮胎的识别码进重新设置，以保证系统的准确可靠运行。对系统报警压力门限的更新、每个轮胎识别码的定义等，都可通过人机接口操作。MAX232 接收/发送器是特别为满足 EIA/TEA-232E 的标准而设计的，具有功耗低、单电源工作，外接电容仅为 1μF、接收器输出

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为三态TTL/COMS等优越性；为双组 RS-232 接收/发送器，工作电源+5V，波特率高。该芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V 电源变换成 RS-232C 输出电平所需的±10V 电压，因此采用单一的+5V 电源即可[16]。MAX232 外围需要 4 TTL/COMS等优越性；为双组 RS-232 接收/发送器，工作电源+5V，波特率高。

表3.6 MC33594 接收电路组成器件说明 器件 Y1 R1 R2 C1 C2 C3 C10 C11 C12 C4 C6 C13 功能 基准振荡器晶体 取值 315MHz 9.864375 434MHz 13.580625 基准电流（参考）电阻 选通振荡器电阻 混频器 AGC 电容器 选通振荡器电容 AFC 电容器： OOK 模式 FSK 模式 晶体负载电容 180 ±1% 470 10±10% 68 100±10% 100±10% 见表 3-8 pF nF μF pF μF band: band: 单位 MHz MHz kΩ kΩ nF nF pF nF 晶体 DC（直流）去耦电容 10 电源供电去耦电容 0.1 100 0.1 表3-7 C10 在 FSK 模式下相应数据率的取值

数据速率 C10 1.2 100±10% 数据速率对应电容取值 2.4 47±10% 4.8 22±10% 9.6 12/10±10% 单位 kBaud nF 该芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V 电源变换成 RS-232C 输出电平所需的±10V 电压，因此采用单一的+5V 电源即可[16]。MAX232 外围需要 4个电解电容 C1、C2、C3、C4，是内部电源转换所需电容，其取值均为 1μF/25V，宜选用漏电流小的钽电容并应尽量靠近芯片，C5 为电源去耦电容。如图 3-7所示，系统选用其中一路完成发送/接收任务。

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3.4 显示电路设计

显示及报警电路实现系统的信息显示及声光报警功能。电路由液晶显示模块、I/O 扩展芯片、5 个发光二极管（LED）及蜂鸣片构成，驾驶员可通过液晶显示的信息获知各轮胎的状态，并通过 LED 和蜂鸣片的报警提示获知故障轮胎位置。图3.8给出了主机摸块的系统显示。

图3.7 MC68HC908KX8与PC机的串口通信

图3.8 系统显示电路图

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可使程序直观、易懂，便于程序维护。不同型号的微控制器，这些标志性地址不尽相同。对于 MC68HC908RF2 的所有寄存器，已在 rk2regs.inc 文件中进行了初始化定义，只需将此文件用 Include 汇编指令包含进来，就可在源程序中使用这些寄存器的字符常量。

（2） RAM 区变量定义

对于程序中使用到的临时数据、表格等，可以用定义 RAM 区变量的伪指令 DS（8 位）、DB（16 位）、DW（32 位）进行定义，以便在程序中方便地对它们进行访问、更新和保存。

（3） Flash 程序存储区操作指令代码

一个源程序的主体部分是实现相应功能的指令操作代码。操作指令存放在微控制器的 Flash 存储器内，起始地址用伪指令 ORG RomStart 进行定位。由于累加器 A 和 8 位变址寄存器 X 在微控制器复位后是未被初始化的不确定值，若程序中又有中断服务子程序，很可能因响应中断而在A、X入栈时产生A、X未初始化的错误，故在执行操作指令时先对 A、X 进行初始化。

（4） 复位/中断矢量分配

源程序的最后部分，也就是微控制器的资源地址的最后空间是 Flash 矢量区，放置中断向量表和复位矢量。微控制器在上电复位后，将把复位向量区$FFFE～$FFFF 的一个 16 位地址值装入程序计数器PC中，则程序将从该地址处开始执行。因此，为了让微控制器在上电复位后从主程序 MAIN 开始执行，只需将主程序的入口地址定义到复位矢量区$FFFE～$FFFF 即可。

对于有中断服务子程序的源程序，为了在发生中断时能够使程序响应中断并进入相应的中断服务子程序，同样只需将中断服务子程序的入口地址定义到对应的中断服务矢量区即可。 4.3 轮胎模块的软件设计

轮胎模块软件的整体算法是基于保持较长时间的电池供电负荷的。虽然轮胎模块需要独立地持续工作很长一段时间，但其重量也是有限制的，所以不能选择太大容量电池。虽然本文选用的轮胎模块内各个器件功耗均较小，但为减少工作能耗，仍然要选择合适的测量频率和发射频率[19]。同时，受到微控制器 MC68HC908RF2 的 Flash 程序存储器空间限制（2K 字节），轮胎模块的数据处理

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算法既不能过于复杂，又要保证对轮胎状态的监控效果。 4.3.1 轮胎模块的监控软件及其中断子程序

轮胎模块监控程序的主要工作是系统初始化、测量控制、测量数据的简单处理以及发射控制，其主程序流程图如图 4.2 所示，与之相关的中断服务子程序流程图如图4.3所示。

上电复位 系统初始化 进入停止（STOP）模式 等待中断

图 4.2 轮胎模块主程序流程图

微控制器绝大多数时间处于停止（STOP）模式下，这是因为处于此状态下的微控制器系统功耗最小。通常是传感器 MPXY8020A 进入空闲模式时，由其内部低频振荡器定时，每隔几秒钟向微控制器发出一个唤醒脉冲。这个唤醒脉冲与 MC68HC908RF2 的键盘中断引脚取得联系，使微控制器脱离低功耗的停止（STOP）模式，并在每次唤醒后立即开始测量压力。

轮胎模块对测量数据的分析处理主要是对实时测得的轮胎压力数据进行判别，对温度和压力的综合处理是在主机模块软件中实现的。如果压力值低于标准轮胎压力下限或者超过标准轮胎压力上限，意味着轮胎工作状态不正常；如果短时间内出现大的压力值改变，则意味着轮胎的快速泄漏。当程序检测出这些异常情况时，就通过发射器把状态信息无线发送到主机模块。

轮胎模块的发射控制程序有两个模式：一是正常工作时的标准发射模式，如果轮胎的压力状况正常，则根据定时每隔几分钟向主机模块发送一次状态信息，报告轮胎模块工作状态正常。二是紧急情况下的快速发射模式，程序检测出轮胎出现异常情况时，轮胎模块将立即清除定时，进入快速发射模式向主机报警。在快速发射模式下，MC68HC908RF2 的发射器会在 800ms～900ms 时间内发射 255

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个数据帧。

进入键盘中断 禁止键盘中断 调测量程序 读轮胎压力值 轮胎压力是否正常？ 是 对定时计算器递加 否 否 开键盘中断 是否到发射时间？ 是 进入发射程序 等待中断

图4.3轮胎模块键盘中断子程序流程图

进入停止（STOP）模式 这样可以大大提高主机模块接收器接收到数据的可能性，使驾驶员得到警告并有充分的时间安全地停车。

除了以上各主要功能外，轮胎模块的监控软件还具有电池电压监控子程序，通过微控制器的低电压禁止（LVI）模式来监控模块电源电压，及时提醒更换电池。 4.3.2 传感器测量程序及算法

传感器测量程序主要完成轮胎的压力和温度状态数据的测量，以及对测量结果的模数转换。传感器 MPXY8020A 具有四种工作模式：既不进行测量，也不需读取测量数据的空闲模式；测量压力时的压力测量模式；测量温度时的温度测量模

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式；进行模数转换操作和数据读出的数据输出模式。在数据输出模式下，通过其引脚DATA将表示比较电平的8位数据伴随引脚CLK的同步脉冲串行输入 MPXY8020A 内部移位寄存器，再由其内部 D/A 寄存器将这 8 位数据转换为模拟电平，通过引脚 OUT 输出状态得到该模拟电平与存储测量结果电平的采样电容器间的比较结果，根据检测引脚 OUT 状态得到的比较结果连续调整输入的串行数据，逐步逼近测量真值，可以得到数字化的测量数据。

传感器测量程序由测量主程序、发送数据的串行接口子程序和模数转换的逐级逼近算法程序组成。

（1）测量主程序

微控制器先置 MPXY8020A 进入压力测量模式或者温度测量模式，延时等待传感器的测量信号在采样电容器中得到完整存储，压力测量模式为 500μs，温度测量模式为 500μs。延时后置 MPXY8020A 进入数据输出模式，以完成测量数据的模数转换和读取。

2）模数转换的逐级逼近算法

该算法是为了实现 8 位精度的模数转换而编写的。在 8 位精度的 256 个可能结果中，采用两分法从数据高位开始，通过逐位比较、逐级逼近测量结果真值，以得到轮胎压力或温度的 8 位数据。

该 8 位数据是与实际压力和温度值相对应的，对应关系可参考数据手册，但最好通过实验测量来标定。如常温（25℃）下的温度测量值约为$68。

当输入数据的模拟电平大于或者等于传感器的采样电容器电压，也就是输入 8 位数值大于或者等于测量数据时，OUT 引脚电平为高。反之，OUT 引脚电平为低。根据模数转换的逐级逼近算法编写的程序流程图如图4.4所示。

程序执行后，得到的测量结果数据被存为 RAM 区内事先定义好的的结果变量 ADR。传感器的 8 位压力数据输出结果的测量误差在大多数情况下小于或等于 10kPa，满足系统的压力测量精度要求。 4.4 数据无线收发模块的软件设计

要想实现数据的无线收发功能，除了正确的硬件设计和连接外，对无线收发芯片的初始化配置以及无线传输的数据速率控制功能，都必须要有系统软件的支持。而更为重要的是要结合芯片特性和硬件电路，建立无线发射/接收双方间的通

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信协议。

开始 直MPX8020A为数据读出模式 初始化，权变量（SH2）=80H，终变量（ADR）=00H，C=0 SH2逻辑加ADR，结果发送子程序缓存 调用发送子程序 读OUT引脚电平 OUT是否是高电平 是 ADR=ADR+SH2 否 SH2循环右移一位 否 是否C=1？ 是 结束返回

图4.4 模数转换的逐级逼近程序流程图

4.4.1 数据无线收发的通信协议

为了保证轮胎模块与主机模块间通信的可靠畅通，基于 UHF 发射器和接收器这两端编写的无线发射/接收软件必须要有一个简单合理的通信协议。在本文设计

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的汽车轮胎爆胎预警系统中，数据以 9600bps 的速率发送，采用 FSK调制的曼彻斯特编码。轮胎 ID 是用来确定发送数据帧的轮胎位置的，32 位的位长可避免出现相同的轮胎 ID。8 位状态值里主要是关于轮胎模块工作电压及是否需更换电池状态的信息。校验和的 8 位取值取决于先前发送的数据。其目的是把受到射频（RF）噪声干扰的传输数据验证为有效数据，以此来减少数据错误的概率。 4.4.2 数据无线发射软件设计

发射器在没有发射任务的绝大多数情况下，是处于功耗极低的休眠状态的。待轮胎模块的微控制器决定需要发送数据帧时，就会选通发射器，发送完数据后再回到休眠状态。

4.4.3 数据无线接收软件设计

UHF 接收器 MC33594 在绝大多数时间里是处于低功耗的休眠状态，系统上电后首先由微控制器对其进行初始化配置，随后进入休眠状态以等待被来自某个轮胎模块发送的数据帧激活[20]。MC33594 有三个 8 位的配置寄存器CR1～CR3。其中配置寄存器 1（CR1）除了控制对这三个寄存器的读写，还主要用于选择载波频率、设置数据调制方式、控制选通振荡器、定义选通比、控制数据管理器、定义报头字等。配置寄存器 2（CR2）用于定义接收器 ID识别字的内容。配置寄存器 3（CR3）则用于定义数据速率、设置混频器增益、控制 MIXOUT 引脚的转换、设置相位比较器增益等。

MC33594 有三个工作模式：休眠模式，也就是低功耗模式；配置模式，用来读写内部寄存器，此时 SPI 接口为从模式；运行模式，接收器处于 SPI接口主模式，接收一个数据帧或者等待一个数据帧的到来，在数据管理器有效的情况下，定时的唤醒信息发送后，接收到的数据由串行外部接口（SPI）发送到微控制器。MC33594的引脚RESETB为低电平时，MC33594的SPI是从模式；为高电平时，其SPI是主模式。当数据通过引脚MOSI和MISO输入或输出时，主设备负责发送时钟用于数据的同步传送。MISO管脚在主设备中是输入端，在从设备中是输出端；MOSI管脚在主设备中是输出端，在从设备中是输入端。MISO和MOSI端口总是沿着一个方向传递串行数据。数据在SCLK的下降沿被接收，在SCLK的上升沿被发送。当没有数据输出时，SCLK和MOSI被主设备置为低电平。如图4-5所示，是微控制器与MC33594通过SPI串行协议接口进行数据通信的程序流程。

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等待SPI数据 复位定时计数器寄存器 复位字节计数器 复位比特计数器 否 SCLK为高? 是 屏蔽TPM中断,开定时计算器 否 SLCK为低? 是 接收数据比特 清除定时计数器 已接收完一个字节? 是 已接收到完整数据帧? 是 开TPM中断,关定时计数器 否 否

子程序返回 图4.5 MC33594与微控制器的软件SPI流程图

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4.5 主机模块的监控软件设计

不像轮胎模块所处的封闭环境那样恶劣，主机模块没有严格的耗能标准。无论是电池的更换还是接入汽车电瓶的 12V 标准电压，都比较容易对主机模块提供持久可靠的工作电压。主机模块的监控软件要实现的主要功能是：对主机模块的初始化；UHF 接收器的控制；对接收到的轮胎状态信息进一步的数据处理；数据显示；执行报警；RS-232 通信，以及工作电压监控。

在主机模块上电（电源打开）后，核心微控制器 MC68HC908KX8 先对自己进行初始化，然后再对接收器 MC33594 进行初始化配置。在确认MC33594 配置有效并准备就绪后，所有 5 个 LED 都闪烁一下，以告知驾驶员主机模块准备工作就绪。图4.6是主机模块的主程序流程图。在微控制器等待 UHF 接收器 MC33594 发送其接收到的数据帧时，大部分的工作时间都花费在为接收数据与 MC33594 的 SPI 总线通信上[21]。在微控制器收到数据帧后，会重新计算该数据帧的校验和，并同已接收到的这个进行比较。在确认该帧的校验和无误后，帧内的轮胎 ID 将同存在微控制器存储器中的 4 个轮胎 ID 进行比较，如发现哪个 ID 是与其相匹配的，就把该数据帧的状态信息存入为保存这个位置轮胎的状态信息而保留的 RAM 单中。

4.6 汽车轮胎气压实时检测系统软件设计的特点

汽车轮胎爆胎预警系统的现场应用环境，决定了其在设计过程中必须要考虑怎么平衡功耗与效率，这在轮胎模块的设计中显得更为重要。此外，为了保证系统的可靠运行，还要采取一定的软件抗干扰措施，使用指令冗余、掉电保护和软件陷阱等方法来增强系统的抗干扰能力。

如果轮胎模块的寿命大大短于轮胎的正常使用寿命，使用者要么承受频繁更换轮胎模块电池的麻烦，要么不得不闲置由于失去工作电压而不能正常工作的系统，这将使系统的设计初衷大打折扣[22]。

无论是传感器、微控制器还是 UHF 发射器，每一次测量、每一个功能程序的执行以及每一次发射，都需要消耗一定的能量，尤其是微控制器 CPU 的运行和发射器的发射操作，功耗大。

因此，在汽车轮胎气压实时检测系统的的软件设计中，必需要考虑上述问题对轮胎模块工作寿命的影响。要选择合适的压力和温度的测量频率。若对压力和

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温度两个参数都进行测量，压力参数的测量频率则应高于温度参数的测量频率。

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主程序开始 上电复位 初始化微控制器 打开LED, 状态提示 初始化MC33594 否 初始化检验,配置就绪？ 是 LED闪烁,系统就绪 等待SPI数据 接收数据帧 否 详见 SPI通信 校验和正确？ 是 轮胎ID正确？ 是 数据处理 否 图 4.6 主机模块主程序流程图

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