射频收发芯片nRF401在汽车胎压监视系统中的应用

0 引言

在汽车高速行驶过程中，轮胎故障是突发性交通事故发生的重要原因。据统计在高速公路上发生的交通事故中约有70％是由爆胎引起的。而保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，因此对汽车轮胎压力、温度等参数的监视是安全驾驶的重要保障。开发和研究汽车轮胎压力监视系统TPMS（Tire Pressure Monitoring System）是确保行车安全的有效技术措施，也是当前值得研究的重要课题。TPMS是目前最流行的汽车胎压监视系统，它在汽车行驶状态下可以实时、动态的对轮胎气压和温度进行自动监测，对轮胎气压过低、过高、漏气和温度过高等异常现象进行自动报警，以减少事故的发生率，确保行车安全。从系统构造而言，压力、温度等信息可以通过无线装置进行发送接收。

本文详细介绍了基于蓝牙芯片nRF401的汽车胎压监视系统的硬件和软件设计，设计中采用SPCE061A为上位机控制器实现对汽车轮胎的压力和温度信号的管理和输出，配有菜单式操作的液晶显示系统与语音报警系统来实时准确的显示检测结果。该系统能准确的对轮胎内的温度、压力进行采集，并能在出现危险状况时及时报警。

1 硬件设计

胎压监视系统主要包括两部分：一部分安装在汽车轮胎内，由压力温度传感器、信号处理单元、RF发射器组成轮胎发射模块，轮胎发射模块的构成如图1(a)所示，它的主要功能是通过处理加速度传感器的信号实现自动唤醒功能，对轮胎的温度与压力信号进行采集和处理并通过发射模块将信号传出；另外一部分为安装在汽车驾驶室内的中央监视器，包括RF接收器、数字信号处理单元和报警显示电路，中央监视器主要完成的功能：实现对来自汽车轮胎的压力和温度信号的管理和输出，并利用液晶配合语音报警系统及时根据用户需求给出当时的状态，且不耽误司机开车，同时检测车内温度并显示。系统图如图1(b)所示。

系统采用挪威Nordic公司推出的一体化无线收发芯片nRF401，工作在433MHz 国际通用的 ISM频段，双工作频段可以自由切换，FSK调制解调，采用直接数字合成 DSS + 锁相环稳频 PLL 进行频率合成，频率稳定性好，抗干扰能力强，接收灵敏度高达-105dBm，最大发射功率为+10dBm，功耗低，接收待机状态时，电流仅为8μA，数据传输速率可达20kbit/s。nRF401采用常用的4 MHz 晶振作为PLL频率基准源，而无需昂贵的变容二极管；此外它的解调器是DC平衡的，输入数据可以使各种011序列，无需进行曼切斯特编码，微控制器的UART直接与nRF401的DIN、DOUT端连接，经过MAX232电平转换后可直接与计算机的串口连；nRF401另一个非常重要的特点是接收机的频带阻抗很高，这意味着不需要外部声面波滤波器，无需调试部件。

总体的硬件结构设计如图2、3所示。由于采用了专用的传感器，可以设计相对简单的硬件电路。电源由锂电池提供。在TPMS中由于从机无法将随时检测的压力通过线缆传到上位机中，故应该采用无线传输。又因为汽车轮胎工作环境比较恶劣，一般的无线传输模块不能实现其功能，实践证明无线收发芯片nRF401通信系统在环境比较恶劣的工业现场工作可靠稳定。

在硬件电路设计中我们充分考虑到系统所接收到的数据存在的干扰问题，对相关部分的设计都采取了一定的抗干扰方案。比如在发射模块的PCB版图的设计中充分考虑了高频干扰，采用的凌阳61板作为上位机的控制器则是利用了它本身具有滤波和消除干扰的优势。电源直接从车内12V电源通过电压转换电路转化后得到。

系统的无线通信部分结构上采用的是主从结构，下位机由安装在被测汽车中的监测控制器组成，主站是设在控制中心的监控计算机；不同的下位机通过无线通信电路将检测到的数据发往监控计算机。同一时刻只能有1台下位机工作，这里的通信实际上是共享介质的，为避免多个下位机争用信道而发生冲突，只有主站向某个下位机发送允许通信信号，下位机才发送数据。通信模块由nRF401和很少的外围器件组成，采用PCB天线，nRF401的数据收发端直接与MCU的串行口相连，MCU用3个I / O口控制nRF401的状态，选用3V供电的低电压MCU与nRF401共用同一个电源和同一个4MHz晶振。

2 软件设计

无线通信系统中，由于供电、空间噪声及传输路径等因素的影响，直接发送数据的话很容易受到干扰，因而需要设计一种传输协议，保证在这种不可靠的物理链路上建立起可靠的数据连接，系统的无线通讯协议主要工作在OSI参考模型的数据链路层，通过该协议进行必要的检错编码。差错控制保证数据传输的正确可靠。

下位机（以四个为例）均为实时采集数据，而系统只有一个nRF401芯片在接收，而且采用