基于S12XE芯片的胎壓調(diào)節(jié)自動控制系統(tǒng)

張宸碩，徐晨書，程千育，李志超

江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013

0 引言

對于普通的轎車來說，汽車在路面上行駛時間較長，輪胎就可能會發(fā)生漏氣，如果漏氣嚴(yán)重，則導(dǎo)致車輛失控；轎車行駛時也有可能由于氣溫過高而造成胎壓過高，嚴(yán)重的將導(dǎo)致爆胎等事故發(fā)生。因此，汽車輪胎中央充放氣系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

汽車輪胎中央充放氣系統(tǒng)(CTIS)是一套能夠在駕駛室內(nèi)就能對胎壓進(jìn)行監(jiān)測、完成對輪胎胎壓調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。它可以快速有效地解決胎壓過低或過高帶來的問題，及時將胎壓調(diào)節(jié)到合適的范圍。本文對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出新型控制系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于飛思卡爾S12XE芯片，并結(jié)合無線胎壓監(jiān)測系統(tǒng)對控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，性能更加優(yōu)良。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械部分

CTIS的機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，以某交通學(xué)院研制成功的輪胎中央充放氣系統(tǒng)為例，系統(tǒng)主要由氣源和氣路、電磁閥組、旋轉(zhuǎn)密封氣室、車輪閥、電子控制單元和控制面板等組成，如圖1所示。本文所研究的控制裝置是對其控制系統(tǒng)進(jìn)行的改進(jìn)。

圖1 輪胎中央充放氣系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)有3種工作狀態(tài)，分別是充氣、放氣和保壓。當(dāng)輪胎氣壓過低，系統(tǒng)將操縱電磁閥組對輪胎充氣;當(dāng)輪胎氣壓過高，系統(tǒng)將操縱電磁閥組對輪胎放氣;當(dāng)輪胎胎壓無須改變時，氣源和主管路之間將被隔開，主管路通過敞開電磁閥與大氣相接，車輪閥處于關(guān)閉狀態(tài)，輪胎內(nèi)的氣體與大氣和主管路都被隔開，系統(tǒng)將處于保壓狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能及特點(diǎn)

本文所研究的汽車輪胎自動充放氣控制裝置，基于飛思卡爾S12XE芯片，可對輪胎胎壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并且可以根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)胎壓值自動調(diào)節(jié)輪胎胎壓。以下是其處在工作狀態(tài)下具體可以實(shí)現(xiàn)的功能。

該裝置在使用過程中，駕駛員可以通過上位機(jī)來設(shè)定4個輪胎的目標(biāo)胎壓，上位機(jī)通過串口與單片機(jī)相連，駕駛員還可以實(shí)時查看當(dāng)前4個輪胎的胎壓。設(shè)定完畢后，汽車4個輪胎內(nèi)的胎壓傳感器將胎壓數(shù)據(jù)通過無線信號傳給單片機(jī)，然后單片機(jī)將傳感器所測得的胎壓與設(shè)定的目標(biāo)胎壓進(jìn)行比較。若測得的胎壓高于目標(biāo)胎壓，則開啟放氣電磁閥，對輪胎進(jìn)行放氣；若測得的胎壓低于目標(biāo)胎壓，則開啟充氣電磁閥，對輪胎進(jìn)行充氣。直到測得的胎壓與目標(biāo)胎壓十分接近，且誤差在一定范圍內(nèi)，進(jìn)氣或放氣閥門才自動關(guān)閉，系統(tǒng)處于保壓階段。而如果輪胎胎壓發(fā)生較大變化，與設(shè)定的目標(biāo)胎壓誤差過大，或者駕駛員更改目標(biāo)胎壓時，系統(tǒng)便將再次開始工作。

此外系統(tǒng)還具有報(bào)警功能，如果測得的胎壓與目標(biāo)胎壓相差超過一定閾值，則系統(tǒng)會報(bào)警，并提醒駕駛?cè)俗詈脤④囃Ｏ略龠M(jìn)行胎壓調(diào)節(jié)，以保證車輛的行駛安全。而在面對一些特殊情況時，例如突然斷電，系統(tǒng)也會自動將輪胎置為保壓狀態(tài)，防止輪胎漏氣。

此裝置采用無線傳感器，節(jié)省了充放氣機(jī)械裝置的一些空間。傳統(tǒng)的CTIS控制策略是直接計(jì)算充放氣所需時間，這種方法用時長、計(jì)算量大，且由于各種環(huán)境因素，無法計(jì)算出精確的時間;本文所設(shè)計(jì)的裝置可以實(shí)時將測得的胎壓與設(shè)定的目標(biāo)胎壓進(jìn)行比較，用時短且結(jié)果精確。

1.3 總體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的輪胎胎壓自動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。以S12XE微處理器為核心，主要由胎壓監(jiān)測模塊、電磁閥組控制模塊、中央控制模塊組成。

圖2 輪胎胎壓自動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央控制模塊

中央控制模塊主要由S12XE微控制器核心、S12XE外圍電路、CAN總線收發(fā)器組成。它處于系統(tǒng)的核心位置，連接整個系統(tǒng)的其他各個模塊。它接收胎壓監(jiān)測模塊傳來的胎壓數(shù)據(jù)，并將胎壓數(shù)據(jù)再發(fā)送到上位機(jī)。通過CAN總線，中央控制模塊可以發(fā)出信號，對各個輪胎的電磁閥組控制模塊進(jìn)行控制。

S12XE芯片是飛思卡爾公司針對汽車電子市場設(shè)計(jì)制作的一款高性能16位微處理器，也是汽車電子系統(tǒng)中有較多運(yùn)用的MCU，具有速度快、功能強(qiáng)、成本低、功耗低、代碼效率高、電磁兼容等特點(diǎn)。芯片內(nèi)部集成了CAN控制器的功能，因此無須再另外設(shè)置獨(dú)立CAN控制器。S12XE芯片的最小系統(tǒng)包括：電源電路、復(fù)位電路、BDM電路、晶振電路。

中央控制模塊的電源電路采用LM2596 DC/DC電源降壓模塊，可將車載的24 V的蓄電池電源電壓轉(zhuǎn)換成適合于單片機(jī)使用的5 V電源電壓。LM2596系列電源轉(zhuǎn)換芯片的安全性較高，具備電流限制和保護(hù)電路的功能，具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，符合單片機(jī)供電的需求。

選擇TJA1050模塊作為CAN總線收發(fā)器，其核心TJA1050芯片是飛利浦公司設(shè)計(jì)制造的高速CAN收發(fā)器，其中設(shè)計(jì)了一個超時定時器，用來避免由于TXD端長時間為低電位時，總線上其他節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)無法進(jìn)行通信的情況。

2.2 胎壓監(jiān)測模塊

胎壓監(jiān)測模塊整個系統(tǒng)主要由位于汽車輪胎內(nèi)部的胎壓傳感器、胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送端、電源模塊與位于中央控制模塊旁的數(shù)據(jù)接收端組成。一共有4對無線信號收發(fā)器，當(dāng)模塊工作時，胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送端通過ZigBee的2.4 GHz無線信號與接收端進(jìn)行通信，每隔50 ms測量胎壓值并發(fā)送給接收端一次，當(dāng)接收端接收到無線信號后，再將信號通過串口發(fā)送給中央控制模塊。為了能夠?qū)崟r對胎壓變化情況進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測模塊被置于輪胎內(nèi)部，這會導(dǎo)致模塊不方便拆卸、更換，因而對硬件的性能標(biāo)準(zhǔn)要求較高。

傳感器模塊用來測量輪胎壓力數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將所得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線信號發(fā)送模塊。采用MD-PS002系列絕壓傳感器采集胎壓信號，選用量程為0～350 kPa。

采用CC2430模塊作為無線信號收發(fā)器。發(fā)送端的CC2430模塊與胎壓傳感器相連，接收端的CC2430模塊通過串口與中央控制模塊相連。模塊核心為CC2430芯片，其在無線信號收發(fā)方面具有較高的靈敏度和抗干擾性，適合在胎壓監(jiān)測模塊中使用。

接收端的供電可與發(fā)送端分布在4個輪胎內(nèi)，需使用單獨(dú)的電池供電，此外，其質(zhì)量也不能過大。因此電源模塊需采用質(zhì)量小且壽命長的鋰亞電池，例如，ER14250鋰亞電池，其額定電壓為3.6 V，工作壽命可達(dá)10年，工作溫度為-40～85 ℃。

2.3 電磁閥組控制模塊

電磁閥組控制模塊通過CAN總線與中央控制模塊相連接，主要由單片機(jī)模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、CAN總線通信模塊等部分組成。在系統(tǒng)工作時，它將通過CAN總線接收中央控制模塊的命令并操縱電磁閥執(zhí)行。

單片機(jī)模塊選用飛思卡爾GZ32芯片作為主控芯片，是由飛思卡爾公司設(shè)計(jì)制造的8位微處理器芯片，其性能好、成本低，并且芯片內(nèi)部還集成了CAN控制器，因此無須再設(shè)置獨(dú)立的CAN控制器，適合作為模塊的微處理器核心。

電磁閥的功率較高，選用BTS442E2芯片對其進(jìn)行驅(qū)動。BTS442E2是英飛凌公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的智能電源開關(guān)，其性能好、耐用性高，適合于驅(qū)動胎壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電磁閥。該芯片的正常工作電壓范圍為4.5～42 V，允許140 A以上的瞬態(tài)電流和-40～85 ℃寬溫度范圍。

在CAN總線方面，采用和中央控制模塊相同的TJA1050模塊作為CAN總線收發(fā)器。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序運(yùn)行方式

所設(shè)計(jì)的輪胎胎壓自動控制系統(tǒng)的軟件主要由中央控制模塊、胎壓監(jiān)測模塊、上位機(jī)系統(tǒng)模塊、電磁閥組控制模塊組成。程序運(yùn)行方式為：

(1)當(dāng)汽車點(diǎn)火后，各程序開始運(yùn)行，并對各個模塊進(jìn)行初始化。

(2)初始化過后，胎壓傳感器開始發(fā)送數(shù)據(jù)給S12XE中央控制模塊，經(jīng)過處理和串口通信后，4個輪胎的壓力值將在上位機(jī)上顯示出來，傳感器每隔50 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)，上位機(jī)上顯示的胎壓值也每50 ms刷新一次。

(3)在駕駛員輸入設(shè)定的目標(biāo)胎壓值之前，輪胎一直處于保壓狀態(tài)。當(dāng)駕駛員按照需求在上位機(jī)上輸入目標(biāo)胎壓值之后，系統(tǒng)開始將與進(jìn)行比較，每50 ms比較一次。當(dāng)|-|≤015 kPa時，輪胎壓力處于正常范圍內(nèi)，輪胎保持保壓狀態(tài)；當(dāng)-<-0.15 kPa時，輪胎壓力過低，控制電磁閥組開始對輪胎充氣；當(dāng)->0.15 kPa時，輪胎壓力過大，控制電磁閥組開始對輪胎放氣。

(4)當(dāng)下一個50 ms到來時，系統(tǒng)將刷新過的與再進(jìn)行比較，并重復(fù)上述過程。

由于S12XE微控制器有良好的C語言開發(fā)環(huán)境，整個軟件程序可以在飛思卡爾公司的CodeWarriors軟件下進(jìn)行開發(fā)。

3.2 中央控制程序設(shè)計(jì)

中央控制模塊處于系統(tǒng)的核心位置，連接了整個系統(tǒng)的其他各個模塊。該模塊將接收胎壓傳感器傳來的無線信號，并將胎壓數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)上。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，將接收駕駛員設(shè)定的胎壓值，同時判斷駕駛員是否確認(rèn)要開始調(diào)節(jié)胎壓;當(dāng)駕駛員確認(rèn)之后，系統(tǒng)根據(jù)程序開始對電磁閥組控制模塊發(fā)出控制信號，電磁閥的控制策略程序運(yùn)行在以50 ms為周期的中斷中。中央控制程序流程如圖3所示，中斷程序流程如圖4所示。

圖3 中央控制程序流程

圖4 中斷程序流程

3.3 胎壓監(jiān)測程序設(shè)計(jì)

胎壓監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)輪胎胎壓數(shù)據(jù)的測量、模數(shù)轉(zhuǎn)換和無線信號的發(fā)送，周期為50 ms。模塊開始工作時首先進(jìn)行初始化，然后各個發(fā)射端各自與中央控制模塊上的接收端進(jìn)行配對，配對成功后便開始測量胎壓并發(fā)送胎壓數(shù)據(jù)。胎壓監(jiān)測程序流程如圖5所示。

圖5 胎壓監(jiān)測程序流程

3.4 電磁閥組控制程序設(shè)計(jì)

電磁閥組控制模塊接收中央控制模塊通過CAN總線傳輸?shù)膱?bào)文信號，并以此對各個輪胎的電磁閥組進(jìn)行控制。電磁閥控制程序流程如圖6所示。

圖6 電磁閥控制程序流程

4 結(jié)束語

本文從系統(tǒng)功能、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)這幾個方面對所設(shè)計(jì)的胎壓調(diào)節(jié)自動控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹，其包含了嵌入式技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)等多方面的技術(shù)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以S12XE中央控制模塊為核心，胎壓監(jiān)測模塊用來獲取4個輪胎的胎壓數(shù)據(jù)，上位機(jī)系統(tǒng)模塊用來設(shè)定目標(biāo)胎壓，最后根據(jù)測定的胎壓和設(shè)定的胎壓數(shù)據(jù)，控制電磁閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)對各個輪胎的胎壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的胎壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，從硬件和控制策略上進(jìn)行了改進(jìn)，最終得到的系統(tǒng)性能更加優(yōu)良。該系統(tǒng)各模塊都選用較成熟的技術(shù)，其成本低、功耗低、操作方便。經(jīng)過后續(xù)驗(yàn)證之后，有助于胎壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用和普及。