基于藍(lán)牙的車輛胎壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘 要： 礦山車輛胎壓監(jiān)測(cè)是以無損檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過研究車輛胎壓的實(shí)時(shí)信號(hào)，了解礦山車輛的輪胎氣壓的變化特性，從而達(dá)到礦山車輛安全監(jiān)控提供依據(jù)。描述了以LPC2132 為核心構(gòu)成的胎壓的監(jiān)控裝置的研究。通過帶有藍(lán)牙的傳感器模塊采集車輛胎壓信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路后進(jìn)行比較計(jì)算，若超過規(guī)定值就報(bào)警，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到車載CAN 總線上。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套基于藍(lán)牙的胎壓監(jiān)控裝置，硬件系統(tǒng)主要由傳感器、LPC2132 處理器，信號(hào)調(diào)理電路，藍(lán)牙模塊和報(bào)警模塊等組成。軟件系統(tǒng)由固件程序，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等構(gòu)成。

　　汽車行業(yè)的發(fā)展及人們對(duì)汽車安全保障系統(tǒng)的重視，使汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有一個(gè)很大的市場(chǎng)，因此，礦山車輛公司也著手研究這項(xiàng)技術(shù)。

　　在影響輪胎性能的諸多因素中，輪胎的氣壓是極其重要的一個(gè)參數(shù)。它對(duì)輪胎的承載性能、高速性能、制動(dòng)性能、防浮滑性能、耐久性能和耐爆破性能都有著重要影響。

　　1 礦山車輛胎壓監(jiān)控系統(tǒng)的方案

　　礦山車輛輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)主要用于汽車行駛過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎氣壓，并對(duì)輪胎漏氣和高低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全。利用安裝在每一個(gè)輪胎里的以鋰電池為電源的壓力傳感器來直接測(cè)量輪胎的氣壓，并通過藍(lán)牙模塊發(fā)射到CAN 總線上。當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、溫度太高或各輪胎壓力不均衡時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，如圖1。

圖1 輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)的框圖

　　礦山車輛輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)功能如下：

　?。?）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)個(gè)輪胎的壓力和溫度情況；（2）可設(shè)定各輪胎的壓力溫度報(bào)警上下限；（3）判斷各輪胎工作的狀況。

　　在一般情況下，輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)是低功耗模式，每隔一段時(shí)間，輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)通過低頻激活藍(lán)牙收發(fā)器接收到藍(lán)牙信號(hào)后被激活并進(jìn)入正常工作模式，然后對(duì)輪胎壓力和溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)以藍(lán)牙信號(hào)發(fā)射出去。如果接收到的測(cè)量數(shù)據(jù)超出了設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍，則根據(jù)特定的算法通過電磁繼電器控制電磁閥對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充放氣功能。

　　同時(shí)當(dāng)輪胎氣壓太低、太高或溫度太高時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

　　2 硬件電路

　　2.1 傳感器

　　一般情況下，礦用車輛需要6-12 個(gè)胎壓監(jiān)控系統(tǒng)模塊。為了提高系統(tǒng)的接收能力和抗干擾能力，我們采用MPXY8020A 壓力溫度傳感器、LPC2132 處理器、藍(lán)牙無線收發(fā)模塊等主要組成的系統(tǒng)方案，結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 MPXY8020A 傳感器接口圖

　　2.2 LPC2132 主控器

　　LPC2132 主控器是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32ARM7TDMI-S CPU,并帶有64k 的嵌入式的高速Flash 存儲(chǔ)器。128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。多個(gè)32 位定時(shí)器、1 個(gè)或2 個(gè)10 位8 路的ADC、10 位DAC、PWM 通道、47 個(gè)GPIO 及9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們適用于本系統(tǒng)。

　　如圖3 所示。

圖3 LPC2132 主控器芯片

　　LPC2132 主控器主要工作：

　　a、數(shù)據(jù)采集模塊通信，將采集的壓力和溫度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。

　　b、與藍(lán)牙收發(fā)模塊通信，將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送到CAN 總線上。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

　　LPC2132 控制器的中斷引腳，使LPC2132 控制器控制A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)保持同步采樣。電壓信號(hào)可由LPC2132 控制器根據(jù)所需采集的各電壓信號(hào)范圍不同而編制數(shù)據(jù)采集模塊，且電壓不超過3.3V.

　　為使電壓信號(hào)符合LPC2132 控制器開發(fā)板的有效采集區(qū)間，需要對(duì)被采集的電壓進(jìn)行降壓變換，在變換電路輸出端加入穩(wěn)壓管進(jìn)行保護(hù)，如圖4.

　　考慮到接入后不能衰減傳輸至原信號(hào)，可采用高阻分壓接入，電路選用兩個(gè)3K 電阻分壓，檢測(cè)接口電路分流小于0.5mA,而傳感器傳入信號(hào)電流為100mA 以上，影響基本忽略，且后端采用運(yùn)放隔離跟隨接入，減小了對(duì)胎壓監(jiān)控系統(tǒng)的干擾。

圖4 電壓信號(hào)采集電路

　　圖5 是信號(hào)調(diào)理電路圖，信號(hào)調(diào)理的目的就是對(duì)從傳感器過來的信號(hào)進(jìn)行放大提升等處理后送進(jìn)AD模塊。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路

　　2.4 藍(lán)牙收發(fā)模塊

　　設(shè)計(jì)了頻段為2.40GHz-2.48GHz,藍(lán)牙協(xié)議為BlueTooth V1.2 .硬件采用了CSR 公司的AUDIO-FLASH 藍(lán)牙芯片，模塊電路板為0.8mm 四層板。電路接口包括USB、SPI 編程口，2 路AIO 模擬量接口，9 路數(shù)字PIO 接口。串口數(shù)據(jù)傳輸，最大波特率1.3Mbps,一對(duì)一自動(dòng)建鏈。

　　車輪上的藍(lán)牙收發(fā)器與LPC2132 控制器的連接時(shí)通過USB 實(shí)現(xiàn)的。用USB 接口通信時(shí)，是將藍(lán)牙模塊作為USB 的從設(shè)備與LPC2132 控制器通信的，通過雙向端口D+和D-傳輸數(shù)據(jù)，如圖6 所示。

圖6 LPC2132 控制器與藍(lán)牙模塊的接口電路。

2.5 報(bào)警模塊

　　主要是完成顯示壓力和溫度的狀態(tài)，如果超出設(shè)定值，自動(dòng)報(bào)警。

圖7 報(bào)警電路。

　　3 軟件系統(tǒng)

　　胎壓監(jiān)控系統(tǒng)軟件與其硬件相對(duì)應(yīng)，是配合硬件電路完成對(duì)胎壓監(jiān)控的功能。系統(tǒng)采用編程軟件是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)編程KeilC 軟件。

　　3.1 主程序

　　汽車靜止或者速度很小的時(shí)候測(cè)得的加速度a=0,此時(shí)SPI 的KEUP 引腳輸出高電平喚醒信號(hào)，當(dāng)汽車速度變大的時(shí)候，加速度a>0,這時(shí)KEUP 引腳每6 秒鐘就向LPC2132 處理器輸出一個(gè)脈沖來喚醒處理器進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　LPC2132 處理器中設(shè)置了兩個(gè)計(jì)數(shù)器。每次由KEUP 引腳引起中斷后，LPC2132 處理器對(duì)SPI 進(jìn)行兩個(gè)輪回的數(shù)據(jù)采集，延時(shí)后用計(jì)數(shù)器2 來對(duì)此進(jìn)行計(jì)數(shù)。在這種情況下，LPC2132 處理器每被喚醒5次進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送，也就是說每30s 發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

　　若壓力或溫度超過正常范圍，則延時(shí)10ms,重新進(jìn)行檢測(cè)用于控制檢測(cè)次數(shù)的變量i+1.重復(fù)檢測(cè)3 次，若3 次溫度、壓力值均異常。則在對(duì)溫度、壓力進(jìn)行精確采樣，生成數(shù)據(jù)幀，發(fā)射數(shù)據(jù)幀。連續(xù)重復(fù)檢測(cè)可提高報(bào)警得準(zhǔn)確性，防止誤報(bào)警。完成數(shù)據(jù)測(cè)量后，就進(jìn)入睡眠狀態(tài)了。如圖8、9 所示。

圖8 胎壓監(jiān)控主程序。

圖9 中斷服務(wù)器程序。

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送的實(shí)現(xiàn)

　　每一個(gè)輪胎都有對(duì)應(yīng)的ID,遠(yuǎn)程監(jiān)控中心需要檢測(cè)哪個(gè)輪胎的情況，就需要與輪胎制定相應(yīng)的協(xié)議，比如，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心先發(fā)送一個(gè)命令，當(dāng)LPC2132處理器接收到該命令時(shí)，就需要解析并把正確輪胎的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN 總線上，監(jiān)控中心就會(huì)自動(dòng)讀取這些數(shù)據(jù)。

　　本數(shù)據(jù)采集通過256 次采樣，啟用6 通道循環(huán)采樣。其第1 個(gè)通道采樣程序如下：

　　3.3 報(bào)警程序

　　報(bào)警程序是系統(tǒng)的重要部分，報(bào)警分為壓力報(bào)警、溫度報(bào)警。系統(tǒng)每次接收到數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置報(bào)警門限判斷，如圖10.

圖10 報(bào)警流程圖

　　4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

　　本實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)室制作的監(jiān)控裝置，在6 個(gè)車輪的礦山汽車的輪胎上進(jìn)行測(cè)量得到的數(shù)據(jù)如圖1 所示。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

　　從表1 看出，被監(jiān)控礦山車輛的輪胎氣壓和溫度是非線性變化。并且當(dāng)輪胎氣壓超過標(biāo)準(zhǔn)值（依次為100kpa;200 kpa;250 kpa;300 kpa;350 kpa;400 kpa）時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警。

　　5 結(jié)語

　　本系統(tǒng)是智能調(diào)度系統(tǒng)中的一部分，通過實(shí)驗(yàn)說明系統(tǒng)方案的可行性。本系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在礦山安全方面的應(yīng)用，是安全生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率有著重要的意義。