基于MPXY8300的智能胎壓監測系統設計

摘要：本文介紹了基于飛思卡爾MPXY8300傳感器芯片的智能胎壓監測系統設計與實現，系統包含胎壓監測模塊與中央控制模塊。本系統可以根據胎壓與車速動態調節采樣頻率，具有漏氣檢測等功能，功耗低，可靠性高。實驗數據表明，本系統能夠可靠穩定地工作。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/256096.htm

關鍵詞：胎壓監測系統；MPXY8300；壓力傳感器；MC33696；智能控制DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.012

引言

胎壓監測系統是一種新型的汽車安全保障系統，能夠監測每個輪胎的胎壓、溫度等信息，并通過車載顯示系統實時顯示給駕駛員，當出現胎壓過低等危險信號時，能夠及時發出警告，使駕駛員及時發現汽車的安全隱患，避免災難事故的發生[1]。

目前的胎壓監測系統面臨使用壽命低、功能單一等問題[2]。本文針對這些問題設計了基于飛思卡爾MPXY8300傳感器芯片的智能胎壓監測系統。該系統具有以下特點：

（1）系統集成度高，可靠性好；

（2）具有漏氣檢測功能；

（3）功耗低，使用壽命長。

1 系統架構

本文設計的智能胎壓監測系統包括兩個部分：胎壓監測模塊與中央控制模塊，系統架構如圖1所示。其中胎壓監測模塊需要降低功耗、減小尺寸，而中央控制模塊需要對數據進行有效的分析、及時發出警告。目前主流的胎壓監測電路有高通、英飛凌和飛思卡爾三種方案[3]。其中，飛思卡爾的方案將壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、射頻收發電路與MCU內核集成到一顆芯片上，集成度較高，且芯片的功耗很低，所以本文選用飛思卡爾的MPXY8300作為胎壓監測模塊的核心。為了增加模塊的使用壽命，在降低芯片功耗的同時，需要選用合適的電池。本文使用ER2450為胎壓監測模塊供電。ER2450是一款高品質的鋰亞電池，具有很低的自放電率，存儲壽命可達10年，能夠滿足系統的需求。

中央控制模塊包括射頻接收電路、單片機、聲光報警電路與LCD。射頻接收電路采用飛思卡爾的MC33696芯片，單片機采樣TI公司的MSP430F149芯片。MC33696工作在434MHz，在接收到胎壓監測模塊發來的數據后，通過SPI接口發送給單片機，由單片機進行數據解析，將胎壓、溫度、電池電量等數據顯示到LCD上，當胎壓或溫度出現異常時，通過聲光報警電路發出警告信號，使駕駛員及時了解輪胎的安全狀況。

2 系統硬件設計

2.1 胎壓監測模塊硬件設計

胎壓監測模塊由傳感器芯片MPXY8300、ER2450電池以及一些簡單的外圍元件組成。MPXY8300是一款20引腳的傳感器芯片，內部包含電容式壓力傳感器、溫度傳感器、X軸和Z軸的加速度傳感器、315/434MHz的射頻發射電路以及HCS08單片機內核[4]。該芯片具有多種低功耗模式，可以在休眠的狀態下關閉傳感器電路、射頻發射電路甚至單片機內核，以極大程度地降低待機功耗。胎壓監測模塊的電路如圖2所示。

2.2 中央控制模塊硬件設計

中央控制模塊由射頻電路、單片機、LCD與聲光報警等電路組成。射頻電路基于飛思卡爾的MC33696芯片實現。MC33696是一款集成PLL調諧的UHF數據接收發送芯片，在本系統中，該芯片只用于射頻數據接收。MC33696內部集成了660kHz的中頻帶通濾波器、可消除鏡像的混頻器、壓控振蕩器、曼徹斯特編碼電路以及SPI接口。在接收到來自胎壓監測模塊的射頻信號后，經過放大、解調，將數字信號通過SPI接口發送給單片機。MC33696的電路如圖3所示。

選用MSP430F149單片機作為中央控制系統的主控芯片。MSP430F149是TI公司開發的一種16位的低功耗單片機，由于其集成度高、功耗低、運行可靠，受到廣大技術開發人員的青睞。該芯片集成了10kB+256B的Flash Memory和2kB的RAM，代碼執行效率高，能夠滿足系統的要求。選用LCD12864作為顯示器件，單片機通過串口與LCD12864相連，以節省I/O接口。

3 系統軟件設計

3.1 胎壓監測模塊軟件設計

胎壓監測模塊在開機初始化之后需要進行自檢，并將自檢結果通過射頻電路發送給中央控制模塊。在自檢通過后，進入休眠狀態，并在定時器中斷的控制下喚醒。每次喚醒之后開始采集傳感器信息。但是由于每個傳感器參數的變化速度是不一樣的，所以對每個傳感器的采樣頻率也不同，按采樣頻率從高到低依次為胎壓、加速度、溫度和電池電壓。對于胎壓的采樣頻率也不是固定不變的，而是隨著胎壓遠離正常數值的程度以及車速的提高，加快采樣頻率。通過對不同傳感器采樣頻率的差異化與采樣頻率的動態調節，可以有效地降低系統的功耗，延長胎壓監測模塊的使用壽命。胎壓監測模塊的軟件流程如圖4所示。

3.2 中央控制模塊軟件設計

中央控制模塊是整個系統的控制中心，負責胎壓等數據的接收、分析、顯示與警報。與胎壓監測模塊一樣，為了確保整個系統工作正常，中央控制模塊在開機初始化之后也需要自檢。自檢通過后，不斷地查詢是否接收到新的數據，數據包格式如表1所示。

由于胎壓監測系統的電磁環境非常復雜，單次采樣的數據可能出現較大的偏差，所以本系統每次喚醒后對傳感器進行連續5次采樣，由中央控制模塊對采樣結果取平均值。在得到平均結果后判斷胎壓與溫度是否在正常范圍內，若胎壓過低或溫度過高，則發出聲光警報。中央控制模塊除了對當前的胎壓進行監視外，還分析胎壓的變化趨勢。若胎壓處于正常范圍，但是在某個連續的時間段內，胎壓連續降低，則發出輪胎漏氣警報，提示駕駛員及時排除安全隱患。中央控制模塊的軟件流程如圖5所示。

4 實驗結果與分析

將胎壓監測模塊與輪胎的氣門相接，進行系統級調試。對輪胎緩慢放氣，使胎壓由正常逐漸降低到某個閾值之下，測試系統的胎壓過低警報、輪胎漏氣警報和動態調節采樣頻率功能[5]。胎壓監測性能測試結果如表2所示。由測試結果可以看出，當胎壓為204kPa與195kPa時，雖然仍處于正常胎壓范圍，但是系統檢測到胎壓在不斷地下降，判定出輪胎漏氣，發出漏氣警報。當胎壓繼續下降到閾值以下時，同時發出壓力低警報。

參考文獻：

[1]肖文光，張宏財，李浩，等.汽車胎壓監測系統發射模塊設計[J].電子產品世界，2011（4）：50-59

[2]劉全有，趙福全，楊安志，等.TPMS的研究現狀及發展趨勢[J].農業裝備與車輛工程，2010（12）：3-10

[3]Wang J C，Xia X Y，Li X X.Monolithic Integration of Pressure Plus Acceleration Composite TPMS Sensors With a Single-Sided Micromachining Technology[J]. Microelectromechanical Systems，2012，21（2）：284-293

[4]Freescale公司.MPXY8300 Design Reference Manual[EB/ OL].http：//cache.freescale.com/files/sensors/doc/ref_ manual/MPXY8300RM.pdf？fsrch=1sr=5， 2008

[5]歐陽濤.汽車輪胎氣壓監測系統（TPMS）評價與測試方法研究[D].長春：吉林大學，2010