摘要：本文介绍了基于飞思卡尔MPXY8300传感器芯片的智能胎压监测系统设计与实现，系统包含胎压监测模块与中央控制模块。本系统可以根据胎压与车速动态调节采样频率，具有漏气检测等功能，功耗低，可靠性高。实验数据表明，本系统能够可靠稳定地工作。本文网络版地址：http：//.cn/article/256096.htm
关键词：胎压监测系统；MPXY8300；压力传感器；MC33696；智能控制DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.012
引言
胎压监测系统是一种新型的汽车安全保障系统，能够监测每个轮胎的胎压、温度等信息，并通过车载显示系统实时显示给驾驶员，当出现胎压过低等危险信号时，能够及时发出警告，使驾驶员及时发现汽车的安全隐患，避免灾难事故的发生[1]。
目前的胎压监测系统面临使用寿命低、功能单一等问题[2]。本文针对这些问题设计了基于飞思卡尔MPXY8300传感器芯片的智能胎压监测系统。该系统具有以下特点：
（1）系统集成度高，可靠性好；
（2）具有漏气检测功能；
（3）功耗低，使用寿命长。
1 系统架构
本文设计的智能胎压监测系统包括两个部分：胎压监测模块与中央控制模块，系统架构如图1所示。其中胎压监测模块需要降低功耗、减小尺寸，而中央控制模块需要对数据进行有效的分析、及时发出警告。目前主流的胎压监测电路有高通、英飞凌和飞思卡尔三种方案[3]。其中，飞思卡尔的方案将压力传感器、加速度传感器、温度传感器、射频收发电路与MCU内核集成到一颗芯片上，集成度较高，且芯片的功耗很低，所以本文选用飞思卡尔的MPXY8300作为胎压监测模块的核心。为了增加模块的使用寿命，在降低芯片功耗的同时，需要选用合适的电池。本文使用ER2450为胎压监测模块供电。ER2450是一款高品质的锂亚电池，具有很低的自放电率，存储寿命可达10年，能够满足系统的需求。
中央控制模块包括射频接收电路、单片机、声光报警电路与LCD。射频接收电路采用飞思卡尔的MC33696芯片，单片机采样TI公司的MSP430F149芯片。MC33696工作在434MHz，在接收到胎压监测模块发来的数据后，通过SPI接口发送给单片机，由单片机进行数据解析，将胎压、温度、电池电量等数据显示到LCD上，当胎压或温度出现异常时，通过声光报警电路发出警告信号，使驾驶员及时了解轮胎的安全状况。
2 系统硬件设计
2.1 胎压监测模块硬件设计
胎压监测模块由传感器芯片MPXY8300、ER2450电池以及一些简单的外围元件组成。MPXY8300是一款20引脚的传感器芯片，内部包含电容式压力传感器、温度传感器、X轴和Z轴的加速度传感器、315/434MHz的射频发射电路以及HCS08单片机内核[4]。该芯片具有多种低功耗模式，可以在休眠的状态下关闭传感器电路、射频发射电路甚至单片机内核，以极大程度地降低待机功耗。胎压监测模块的电路如图2所示。
2.2 中央控制模块硬件设计
中央控制模块由射频电路、单片机、LCD与声光报警等电路组成。射频电路基于飞思卡尔的MC33696芯片实现。MC33696是一款集成PLL调谐的UHF数据接收发送芯片，在本系统中，该芯片只用于射频数据接收。MC33696内部集成了660kHz的中频带通滤波器、可消除镜像的混频器、压控振荡器、曼彻斯特编码电路以及SPI接口。在接收到来自胎压监测模块的射频信号后，经过放大、解调，将数字信号通过SPI接口发送给单片机。MC33696的电路如图3所示。
选用MSP430F149单片机作为中央控制系统的主控芯片。MSP430F149是TI公司开发的一种16位的低功耗单片机，由于其集成度高、功耗低、运行可靠，受到广大技术开发人员的青睐。该芯片集成了10kB+256B的Flash Memory和2kB的RAM，代码执行效率高，能够满足系统的要求。选用LCD12864作为显示器件，单片机通过串口与LCD12864相连，以节省I/O接口。
3 系统软件设计
3.1 胎压监测模块软件设计
胎压监测模块在开机初始化之后需要进行自检，并将自检结果通过射频电路发送给中央控制模块。在自检通过后，进入休眠状态，并在定时器中断的控制下唤醒。每次唤醒之后开始采集传感器信息。但是由于每个传感器参数的变化速度是不一样的，所以对每个传感器的采样频率也不同，按采样频率从高到低依次为胎压、加速度、温度和电池电压。对于胎压的采样频率也不是固定不变的，而是随着胎压远离正常数值的程度以及车速的提高，加快采样频率。通过对不同传感器采样频率的差异化与采样频率的动态调节，可以有效地降低系统的功耗，延长胎压监测模块的使用寿命。胎压监测模块的软件流程如图4所示。
3.2 中央控制模块软件设计
中央控制模块是整个系统的控制中心，负责胎压等数据的接收、分析、显示与警报。与胎压监测模块一样，为了确保整个系统工作正常，中央控制模块在开机初始化之后也需要自检。自检通过后，不断地查询是否接收到新的数据，数据包格式如表1所示。
由于胎压监测系统的电磁环境非常复杂，单次采样的数据可能出现较大的偏差，所以本系统每次唤醒后对传感器进行连续5次采样，由中央控制模块对采样结果取平均值。在得到平均结果后判断胎压与温度是否在正常范围内，若胎压过低或温度过高，则发出声光警报。中央控制模块除了对当前的胎压进行监视外，还分析胎压的变化趋势。若胎压处于正常范围，但是在某个连续的时间段内，胎压连续降低，则发出轮胎漏气警报，提示驾驶员及时排除安全隐患。中央控制模块的软件流程如图5所示。
4 实验结果与分析
将胎压监测模块与轮胎的气门相接，进行系统级调试。对轮胎缓慢放气，使胎压由正常逐渐降低到某个阈值之下，测试系统的胎压过低警报、轮胎漏气警报和动态调节采样频率功能[5]。胎压监测性能测试结果如表2所示。由测试结果可以看出，当胎压为204kPa与195kPa时，虽然仍处于正常胎压范围，但是系统检测到胎压在不断地下降，判定出轮胎漏气，发出漏气警报。当胎压继续下降到阈值以下时，同时发出压力低警报。
参考文献：
[1]肖文光，张宏财，李浩，等.汽车胎压监测系统发射模块设计[J].电子产品世界，2011（4）：50-59
[2]刘全有，赵福全，杨安志，等.TPMS的研究现状及发展趋势[J].农业装备与车辆工程，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=1&sr=5， 2008
[5]欧阳涛.汽车轮胎气压监测系统（TPMS）评价与测试方法研究[D].长春：吉林大学，2010