基于SP370的实用化胎压监测系统设计

（河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300131）

胎压监测系统是一种可靠的汽车行驶安全保障，在汽车行驶时，主要通过安装在汽车轮毂上的胎压传感器来实时监测4个轮胎的胎温胎压数据，并通过无线传输方式将数据发送给胎压数据接收装置完成实时显示，使驾驶人员能预判因轮胎胎温胎压的变化对汽车行驶带来的影响，提前做出反应来避免交通事故的发生[1-6]。

以国内某汽车生产厂家为依托，提出了一种实用化胎压监测系统设计方案，该方案设计的胎压监测系统主要包括3个部分：胎压传感器、胎压数据接收装置和胎压监测学习机。其中，胎压传感器用来实时监测轮胎的气压和温度；胎压数据接收装置用来接收和显示胎压传感器发来的实时数据信息；胎压监测学习机作为独立于汽车的辅助设备，主要完成胎压传感器与胎压数据接收装置的定位匹配工作。

1 系统硬件设计

1.1 胎压传感器的硬件设计

胎压传感器的硬件设计框图如图1所示，其中低频信号接收天线与SP370连接用来接收胎压监测学习机发出的125 kHz低频唤醒信号，SP370将采样信号转化为数字信号进行处理，完成对自身的唤醒，并完成对胎压监测学习机的应答。

图1 胎压传感器的硬件设计框图Fig.1 Tire pressure sensor hardware design

SP370处理采集到的胎温胎压等信息，并产生相应的数据信号，之后SP370对数据信号进行FSK调制，调制成中心频率为433.92 MHz的高频数据信号，并通过高频信号发射天线完成发射。

供电锂电池采用3 V纽扣电池，提供SP370芯片正常工作所需的电压。

1.2 胎压监测学习机的硬件设计

胎压监测学习机的硬件设计框图如图2所示。其中以飞思卡尔公司的S9S8AW16单片机为核心，即图2中的MCU。MCU能产生唤醒胎压传感器所需的125 kHz低频数据波，数据波经功率放大模块的放大后，再经过LC振荡模块，调制为以正弦波为载波的信号波，唤醒胎压传感器。

图2 胎压监测学习机的硬件设计框图Fig.2 Tire pressure monitoring learning machine hardware design

高频信号接收模块接收胎压传感器发来的高频数据信号，将高频信号转换为数字信号后，以SPI四线通讯方式将数字信号传送给MCU处理。

胎压监测学习机读码后得到已安装在汽车4个不同位置轮胎内的胎压传感器的ID身份信息，通过SCI通讯方式并按照一定的协议发送给胎压数据接收装置，完成胎压数据接收装置与胎压传感器之间的定位匹配工作。之后胎压数据接收装置只接收符合这4个ID号的胎温胎压信息。

MCU和高频信号接收模块正常工作所需的电压由3 V电池组提供。

1.3 胎压数据接收装置的硬件设计

胎压数据接收装置的硬件设计框图如图3所示，其中以飞思卡尔公司的MC9S08AW32单片机为核心，即图3中的MCU。高频信号接收模块接收胎压传感器发来的高频数据信号，将高频信号转换为数字信号后，以SPI四线通讯方式将数字信号传送给MCU处理，MCU将校验正确的数据以3线SPI通讯方式传输给液晶显示屏直接显示。MCU通过SCI通讯方式，来接收胎压监测学习机发来的4个胎压传感器的ID号，将其存储。

图3 胎压数据接收装置的硬件设计框图Fig.3 Tire pressure data receiving device hardware design

2 系统软件设计

2.1 胎压传感器的软件设计

此胎压监测系统的信号编码方式采用曼彻斯特编码。胎压传感器的软件流程如图4所示，由于SP370内部集成了压力传感器、温度传感器、加速度传感器。所以通过加速度传感器来感应汽车所处的状态，当汽车静止时SP370进入睡眠状态，而当汽车运行时SP370进入工作状态，这样来实现胎压传感器的低功耗要求。胎压传感器发出的高频数据帧格式如表1所示。主要包括胎压传感器的ID号、轮胎压力、轮胎温度、胎压传感器电池电量、从ID到电池电量的CRC校验和。

图4 胎压传感器的软件流程Fig.4 Software flow chart of the tire pressure sensor

表1 高频数据帧格式Tab.1 High frequency data frame format

2.2 胎压监测学习机的软件设计

胎压监测学习机的软件流程如图5所示，胎压监测学习机主要通过发射低频唤醒信号来唤醒胎压传感器，并接收和处理胎压传感器发回的高频数据信号来获取胎压传感器的ID号。胎压监测学习机发射的低频唤醒信号帧格式如表2所示。胎压学习机将ID号写入到胎压数据接收装置的数据帧格式如表3所示。其中ID1～ID4分别表示左前轮、右前轮、左后轮、右后轮内胎压传感器的ID。

图5 胎压监测学习机的软件流程Fig.5 Software flow chart of the tire pressure monitoring learning machine

表2 低频信号帧格式Tab.2 Low frequency signal frame format

表3 写入数据帧格式Tab.3 Write data frame format

2.3 胎压数据接收装置的软件设计

胎压数据接收装置的软件流程如图6所示，胎压数据接收装置接收胎压传感器发来的实时监测数据，通过胎压监测学习机已写入的ID号来完成数据与方位的匹配。胎压数据接收装置对数据进行CRC校验，当数据通过校验则直接在液晶显示屏上对应该方位处显示。

图6 胎压数据接收装置的软件流程Fig.6 Software flow chart of tire pressure data receiving device

3 实验测试与实际测试结果

经测试得出如表4、表5所示的系统性能指标。通过对此胎压监测系统进行的大量实车测试，得出的结果表明：胎压数据接收装置接收到数据的概率在94%以上，数据显示的可靠率也在94%以上，表明此胎压监测系统能抗击外部信号干扰，整体运行可靠，能达到厂家规定的要求。

表4 胎压传感器的性能指标Tab.4 Performance of tire pressure sensor

表5 数据接收装置的性能指标Tab.5 Performance of data receiving device

4 结语

经过大量的测试，此胎压监测系统能对胎温胎压的实时变化做出快速反应，且能保证数据的高度准确性。由于此胎压监测系统均采用低功耗设计，这样大大降低了系统运行的功耗，延长了系统的使用寿命，且由于系统采用显示与数据接收装置的一体化设计，大大降低了胎压监测系统的成本。目前，本系统已得到国内某大型汽车生产厂家应用，经实际测试和使用表明，此胎压监测系统能为汽车的行驶安全提供可靠的保障。

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