基于ZigBee的汽车轮胎压力实时监测系统设计

2.2.1 CC2430芯片

CC2430[4]是Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片，采用直接序列扩频(DSSS)方式，调制方式是O-QPSK。它延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了 ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。它采用QLP-48封装，尺寸仅有7 mm×7 mm，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，电流消耗小，当微控制器内核运行在32 MHz时，RX为27 mA，TX为25 mA，在休眠模式下，电流消耗只有0.9μA，外部中断或者实时时钟能唤醒系统；在待机模式下，电流消耗小于0.6μA，外部中断能唤醒系统。 CC2430从休眠模式转换到主动模式的超短时间的特性, 特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

2.2.2 SP12芯片

传感器采用英飞凌公司生产的SP12芯片, 它是继承式三合一传感器，具有气压测量、温度测量、加速度测量功能和电源电压检测功能, 能够自动补偿测量数据，把气压、温度、加速度等物理量转换为数值量并发送至MCU。SP12芯片采用SPI总线输出，内置时钟电路, 能周期性输出定时唤醒信号和复位信号。SP12的外围电路也很简单, 只有电源接口和MCU的数字接口。SP12采用了唤醒瞬态工作模式，当它工作在睡眠工作模式时其功耗仅0.6 mA，器件所有数字模拟部分全部工作时的电流消耗是6 mA，大大降低系统功耗，延长了电池的使用寿命。

2.2.3 发射模块硬件设计

胎压监测系统中发射模块的传感器一般都安装在车轮内,因此, 供电系统一般采用小尺寸电池。考虑到电池容量、寿命及温度适应性, 选用锂亚电池以保证监测模块在高低温环境中都能够正常工作，TADIRAN LTH2450锂亚电池能满足TPMS宽温度范围的要求。本文的发射模块采用3 V锂电池供电。发射模块的结构图如图2所示。

从机中，CC2430与SP12通过SPI线交换数据和发送命令。SP12将采集到的数据发送给CC2430，由CC2430转换成数据帧经天线发送给主机接收模块。系统平时处于休眠状态，操作大多都是以中断服务程序的形式来实现的，采用下降沿触发的方式，在中断出发后，终端服务程序读中断状态寄存器的相应位来进行具体操作。为了降低发射模块的功耗，MCU采用定时唤醒的工作方式，定时信号由SP12提供。该系统通信频率是2.4 GHz，晶振选择32 MHz。

2.2.4 接收模块硬件设计

接收模块安装于车厢内部，可以直接利用车厢内部的电源，可以不考虑电源问题。接收模块的系统结构图如图3所示。

接收模块的核心是CC2430芯片，主机接收器在TPMS中的主要作用有：(1)协调器自组网，负责组织一个无线网络，给每个从机分配一个网络D号，并将每个从机的信息实施编码注册，存储在E2PROM中；(2)接收从机传输过来的数据帧，实现主机和从机之间的无线通信；(3)存储和处理数据，MCU接收到轮胎数据，对数据进行分析、保存、显示。接收器的按键电路选择简易的4×4矩阵键盘作为人机交互的窗口，能够手动操作来访问特定的轮胎并查看其运行状态，监测数据通过高分辨率的LCD显示屏显示出来，当数据异常时，报警电路报警。

3 TPMS软件设计

合理安排程序流程才能够使得整个系统符合低功耗设计。

3.1 发射模块的软件设计

发射模块的主程序流程如图4所示。

为了延长电池使用寿命，使系统不工作的时候处于休眠模式。CC2430采取定时唤醒的工作方式，由SP12的WAKE UP引脚输出定时信号，周期为6 s,送至MCU的键盘中断输入端, 将MCU从睡眠状态唤醒。当CC2430检测到唤醒命令时被激活，它的寄存器状态发生变化，CC2430进入工作模式。首先检测汽车的加速度，若加速度小于一个设定的范围则表明汽车处于停止状态，MCU重新进入睡眠状态。若加速度大于某个设定的范围则汽车已经在运行状态，传感器SP12采集温度压力数据，采用阈值比较法，把当前获得的数值与寄存器中的报警阈值进行比较，若超出阈值范围，说明数据异常，向主机提示进行报警；数据正常时，再判断定时发送数据的时间，如果定时时间没有到就进入休眠；定时时间到，就进行组帧、编码，把数据包发送到主机。发送成功后, CC2430重新进入休眠状态。再判断定时发送数据的时间，如果定时时间没有到就进入休眠；定时时间到，就进行组帧、编码，把数据包发送到主机。发送成功后，CC2430重新进入休眠状态，等待下一次被唤醒。正常时定时唤醒和异常时实时唤醒的结合使整个设计符合低功耗要求，又能保证系统的可靠性。