（热能工程专业论文）基于无线通信的轮胎温度采集系统研制.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 基于无线通信的轮胎温度采集系统研制 摘要 车之轮胎，人之鞋履。轮胎性能的优劣，将直接影响汽车的行车安全和运行 效率。轮胎在滚动过程中，内部温度的升高会破坏轮胎内部的结构，严重时会导 致轮胎爆破，给乘坐人造成不可挽回的损失。为了获得轮胎内部的温度情况，本 文设计了无线轮胎温度采集系统。 本文结合无线通信技术，传感器技术和微控制器技术的发展，设计了一套基 于无线通信的轮胎温度采集系统。系统能够可靠、准确、实时的采集轮胎内部的 温度数据，并且具有数据存储的功能，能够为汽车安全行驶和轮胎温度场的研究 提供可靠的数据资料。系统不同于传统的轮胎温度监测，本系统的特点是实现了 轮胎内部温度的多点采集。 本文研制的无线轮胎温度采集系统主要由温度采集器、温度接收器和上位机 管理终端组成。温度采集器主要由传感器模块、控制器模块和射频模块组成，其 中射频模块选用无线传输芯片n r f 9 0 5 ，实现了数据的短距离无线传输。温度接 收器主要由控制器模块、射频模块、液晶显示模块和串口通信模块组成。 本文参考了射频模块的通信原理，自制了简洁的数据通信帧格式，降低了通 信的数据量，节省了系统功耗。对整个系统进行了硬件和软件抗干扰设计，在软 件设计方面采用数字滤波技术，大大提高了系统的稳定性。上位机使用了v b 6 0 软件开发了界面显示、历史曲线显示和打印等功能模块，实现了温度数据的可视 化处理。 本文根据所设计系统的功能，完成了系统的软硬件设计，并且通过实际测试， 证明本系统可行、测量结果正确、测量过程可靠。 关键词：轮胎无线通信微控制器传感器 青岛科技大学研究生学位论文 d e s i g na n dman _ 【】f a c t u r eo ft e m p e ra t u r e a c q u i s m 0 ns y s t e mo ft 汪! b a s e do nw i r e l e s s c o m m u n i c a t 【o n t h et y r e sa r et h ei m p o r t a n tp a r t so fa u t o m o b i l ed r i v i n gs y s t e m ，t h em e r i t so fi t s p e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h es a l t ya n do p e r a t i n ge f f i c i e n c y w h e nt i r e sr o l lo n r o a d ，i n t e r n a lh i g ht e m p e r a t u r ew i l ld e s t r o yt h e i ri n t e m a ls t r u c t u r e ，a n dm a yc a u s et i r e b u r s ti n d u c i n gi r r e p a r a b l el o s sf o rp e r s o n si nc a ri ft h ei n t e m a lt e m p e r a t u r eb eh i 曲 e x t a o r d i n a r i l y i no r d e rt oo b t a i nt i r et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n ，aw i r e l e s st i r e t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dh e r e b a s e do nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h es e n s o rt e c h n o l o g ya n d m i c r o c o n t r o l l e r t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h ep a p e rd e s i g n s t h e t e m p e r a t u r e a c q u i s i t i o ns y s t e mo ft i r eb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mc a nb er e l i a b l e a n da c c u r a t e ，t i m e l yc o l l e c t i n gi n t e m a lt i r et e m p e r a t u r e ，a n dh a st h ef i l i l c t i o no fd a t a s t o r a g e m e a n w h i l e ，i tc a np r o v i d er e l i a b l ed a t af o rt h ef u t u r ea n a l y s i sf o rt h es t u d yo f t e m p e r a t u r ef i e l do ft i r e d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lt i r et e m p e r a t u r em o n i t o r i n g ，t h e s y s t e m i sc h a r a c t e r i z e d b yr e a l i z a t i o no ft h et i r ei n t e m a lt e m p e r a t u r eo fm o r e c o l l e c t i o n t h ew i r e l e s st i r et e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o ns y s t e mc o n s i s t so ft e m p e r a t u r el o g g e r , t e m p e r a t u r er e c e i v e ra n dp cm a n a g e m e n tt e r m i n a lc o m p o s i t i o n t h et e m p e r a t u r e l o g g e rc o n s i s t sm a i n l yo fs e n s o rm o d u l e ，m i c r o c o n t r o l l e rm o d u l ea n dr fm o d u l e t h e r a d i of r e q u e n c ym o d u l ed e s i g n e dt os e l e c tt h en r f 9 0 5r a d i of r e q u e n c yc h i p ，r e a l i z e d i nt h es h o r td i s t a n c ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n t e m p e r a t u r er e c e i v e rc o n s t i s t sm a i n l yo f m i c r o - c o n t r o l l e rm o d u l e ，r fm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r i n c i p l e so fr a d i oc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dm a k ea s i m p l ef r a m ef o r m a td a t ac o m m u n i c a t i o n l o wp o w e rd e s i g nm o d er e d u c e sw h o l e s y s t e mp o w e r h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g ng r e a t l yi m p r o v et h e 基丁：无线通信的轮胎温度采集系统研制 s t a b i l i t yo ft h es y s t e m i ns o f t w a r ed e s i g n ，d i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n i q u ei su s e d v b 6 0 i s u s e dt od e s i g nt h es o f t w a r eo fs u p e r v i s o r yp ct op r o d u c eu s e ri n t e r f a c e ，h i s t o r i c a l c u r v ea n dp r i n t i n ge c t a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no ft h es y s t e m ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e w e r ec o m p l e t e d ，a n dp a s s e dt h ea c t u a lt e s t t e s tm e a s u r e m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h e s y s t e mi sc o r r e c t ，r e l i a b l em e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：t i r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm i c r o c o n t r o l l e r s e n s o r n l 青岛科技大学研究生学位论文 1 绪论 目录 1 1 1 课题研究的背景和意义”1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题的来源及研究内容”3 2 无线轮胎温度采集系统总体方案设计“5 2 1 无线通信技术的发展5 2 1 1 短距离无线通信技术5 2 2 系统概述”7 2 3 系统的功能”7 2 4 系统的整体结构”8 2 5 系统的工作原理9 3 温度采集器设计 1 0 3 1 温度采集器硬件设计1 1 3 1 1 微控制器单元1 1 3 1 2 温度信号处理单元1 2 3 1 3 无线通信单元”1 9 3 1 4 电源电路”2 4 3 2 温度采集器软件设计2 6 3 2 1 温度采集器软件的总体设计2 6 3 2 2 温度采集模块子程序2 8 3 2 3 无线通讯模块子程序”2 9 3 3 通讯模块的低功耗设计“3 6 3 3 1 低功耗设计的必要性3 6 3 3 2 低功耗设计的原则与基本方法3 6 3 3 3 温度采集器的能量消耗3 7 3 3 4 减少能量消耗的措施“3 8 3 3 5n r f 9 0 5 低功耗设计3 9 i v 基于无线通信的轮胎温度采集系统研制 4 温度接收器设计 4 1 4 1 温度接收器总体设计“4 1 4 2 温度接收器硬件设计“4 1 4 2 1 微控制器单元”4 2 4 2 2 串口通信电路4 6 4 2 3 液晶显示电路4 7 4 2 4 无线收发模块电路4 8 4 3 温度接收器软件设计”4 9 4 3 1 温度接收器软件的总体设计4 9 4 3 2l c d 液晶显示子程序”5 0 4 3 3 串口通信协议制定5 2 4 3 4 无线通信协议制定“5 6 5 上位机软件设计与实现 5 9 5 1 上位机软件实现的功能5 9 5 2 实现a c c e s s 数据库6 0 5 2 1 建立a c c e s s 数据库”6 0 5 2 2 连接a c c e s s 数据库6 0 5 3 串口通信模块功能的设计6 2 5 3 1 串口通信模块功能的介绍6 2 5 3 2 串口通信模块功能的实现6 3 5 4 人机交互界面的实现“ 6 系统抗干扰设计与试验测试 6 1 系统的硬件抗干扰设计6 5 6 1 1 微控制器可靠性设计技术”6 5 6 1 2 印刷电路板抗干扰设计一6 6 6 2 系统的软件抗干扰设计“6 8 6 3 系统的试验测试”7 0 6 3 1 轮胎内部测温点的确定7 0 6 3 2 轮胎内部温度的测得”7 0 7 总结与展望 7 1 总结7 3 n 青岛科技人学研究生学位论文 7 2 展望7 3 参考文献 附录 致谢” 7 4 7 7 7 8 攻读硕士期间发表的学术论文与专利目录 独创性声明 7 9 关于论文使用授权的说明 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 1 绪论 车之轮胎，人之鞋履。轮胎性能的优劣，将直接影响汽车的行车安全和运行 效率。车辆在行驶过程中，轮胎是其与地面唯一接触的部分，轮胎的性能不仅影 响车辆行驶的安全性、经济性、乘坐的舒适性、噪音特性，而且也关系到轮胎本 身的耐久性和使用寿命。 由于轮胎制造的主要原料是橡胶和骨架材料( 如尼龙帘线、钢丝帘线等) ， 在轮胎温度过高时，尼龙线会受热收缩，橡胶会加速老化进程，持续高温会大大 降低轮胎的使用寿命。轮胎在行驶过程中受到载荷的作用，发生交变变形，容易 产生损坏。研究表明，轮胎的损坏形式主要以机械损坏、疲劳损坏和热损坏为主。 以上三种损坏形式在轮胎行驶过程中是同时存在的，很难截然分开，但尤以疲劳 损坏和热损坏最为严重，而且目前汽车轮胎的损坏以热损坏最为常见，从而严重 影响了轮胎的使用寿命和车辆行驶的安全性【1 1 。 随着对轮胎破坏机理的进一步探索，人们更加认识到热学性能对轮胎的重要 性，热被认为是轮胎的最大敌人。较高的工作温度不但会加速加大橡胶的应力松 弛作用，还会加速橡胶的老化【2 】。行驶中的轮胎在外载荷的作用下会产生大量的 热量，引起温度的升高。由热造成的轮胎温度的升高将导致橡胶化学和物理性能 的下降而丧失强度，严重时会导致轮胎爆破给乘坐人造成不可挽回的损失【3 】。 轮胎爆胎、疲劳驾驶和超速行驶是造成高速公路交通事故的三个重要原因， 其中轮胎爆胎由于其不可预测性和不可控制性而成为首要因素，在中国高速公路 上发生的交通事故更有7 0 是由轮胎爆胎引发的。其中轮胎内部温度的升高是轮 胎爆胎的主要原因，橡胶制品内部由于生热作用发生了热分解，产生了气体，当 这部分气体聚集到一定程度后将引起轮胎的爆破【4 】。温度对轮胎的影响如此之大， 因此如何获取轮胎内部的温度便成为我们要研究的内容。 近年来随着射频技术、微电子技术及集成电路技术的进步，无线通信技术取 得了飞速的发展，无线通信的实现成本越来越低，传输速度越来越快，可靠性也 有了很大的提高，将无线技术引入到数据采集领域，可以解决某些无法或不便布 线的环境下的数据采集问题。 为了获取轮胎的温度，人们开始采用实测法和数值计算的方法对轮胎温度进 基丁无线通信的轮胎温度采集系统研制 行研究，用数值计算的方法很难获得实际轮胎温度的数据，用实测法更能很好的 测量轮胎的温度。传统的基于有线传输方式的温度采集系统已经不能应用在滚动 轮胎温度的采集，而随着传感器技术和嵌入式技术的发展，将传感器技术和新兴 的无线通信技术相结合，通过数据传输的无线化来获得滚动中轮胎的温度具有重 要的意义和可行性。无线轮胎温度采集系统的设计对用实测法获取轮胎温度有重 要的实际意义，并且对研究智能轮胎有重要的参考价值。 1 2 国内外研究现状 轮胎是汽车的一个重要部件，除空气动力外，几乎所有作用于汽车的外力都 是通过轮胎与路面的接触并发生作用而产生的。轮胎因生热而使其材料发生了化 学或物理变化，性能和质量急剧下降，导致脱层、爆胎，缩短了轮胎的使用寿命， 更严重的是影响了汽车的安全性和使用性。采用实测法测量轮胎的温度，能够对 研究轮胎滚动下的温度的分布，探寻使用条件( 轮胎速度、气压、载荷及环境等) 对轮胎温度的影响，同时为优化轮胎设计及配方提供参考依据，并为数值分析提 供必要的参考条件。 实测法可用于任何类型和规格的轮胎，它包括接触法和非接触法。非接触法 主要是指借助于红外线测温仪通过测定轮胎的红外线辐射量确定轮胎的表面温 度。目前国内外有很多类型的红外测温仪，采用红外测温系统的温度测量技术日 趋完善，由于红外测温只能测量轮胎的表面温度，因此若要测量轮胎内部的温度 这种方式有很大的局限性。o h 5 】用红外照相系统测量了轮胎外表面的温度分布状 况。王庆年【6 1 采用双向红外测温系统对滚动中轮胎表面的温度进行了测量，获得 了滚动轮胎表面的温度分布，系统性能可靠，满足了表面的测温要求。 接触法通常在室内通过台架实验测量。一种方法是在轮胎的胎冠、胎肩以及 胎圈等部位打测量孔到胎面胶与缓冲层或胎体外层帘布交界处。在轮胎按规定的 试验要求滚动一段时间后停止，使用探针式热电偶对轮胎进行测温。目前使用较 多的是这种方法。s c h u r h l g 【7 l 应用热电偶对自由滚动条件下的轿车轮胎进行了测 试，得到了轮胎内部温度的分布状况。何燕【8 】采用针式热电偶测量轮胎内部的温 度，针式热电偶由针头、铜康铜热电偶丝及绝缘手柄组成，针头内固定热电偶 丝，绝缘手柄用绝缘电木。测量过程在停机的瞬间进行，在测量之前，需在轮胎 内部打孔，以方便针式热电偶插入轮胎内部测量温度。王泽鹏【9 】采用数字式热电 偶测量轮胎内部的温度，测量方法也是在轮胎内部打孔，在停机的瞬间对轮胎内 部温度进行测量。这种方法虽然能够测量轮胎内部的温度，但是在测量之前要在 轮胎内部打孔，并且测量的时候要在轮胎停机的瞬间进行，测量精度不高，实时 2 青岛科技大学研究生学位论文 性不强，打孔过多还会破坏轮胎的结构，因此并不是一种值得采用的方法。 另外一种方法是在轮胎内部埋入传感器，采用无线传输的方法采集轮胎内部 的温度。法国米其林集团公司( g r o u p em i c h e l i n ) 属下的米其林轮胎北美公司研 制推出t m e m s 轮胎【1 0 l 。在轮胎制造过程的成型工序中在轮胎内壁植入感应片， 监测轮胎的所有数据并加以显示。m e m s 轮胎已经被应用于大型货车和土方机械 轮胎，实践证明，该技术具有很好的实用性。美国固特异轮胎橡胶公司( g o o d y e a r t i r e r u b b e rc o ) 研制推出了u n i s t e e l 智能轮胎，将单片集成电路在轮胎成型时 埋入，经硫化后被固封在轮胎胎体内，能测量轮胎的温度、气压、转速、行驶里 程等数据，在遇到如轮胎气压超过或低于设定值、轮胎温度超过设定值、有人偷 拆轮胎等情况时会自动鸣笛报警，提醒驾驶人员注意。郭南1 1 1 j 针对影响汽车轮胎 橡胶机械性能的温度老化模型进行了一定深度的理论研究，并进一步研究轮胎在 滑动、滚动时的温度场的数学模型，在理论上论证了温度、压力是影响轮胎行驶 安全性的重要因素，并以其作为最终的监测对象，建立了以微控制器为核心，并 由温度传感器、压力传感器、无线射频收发芯片为输入输出接口电路组成的轮胎 安全状态在线监测系统。以上轮胎温度的测量方法先进，能够实时的测量轮胎内 部的温度，但是测量点单一，并且更多的是针对轮胎温度的监测，具有轮胎温度 预警的作用。若是要采集轮胎内部不同点的温度，需要研发一种多点测量的无线 轮胎温度采集系统。 采用轮胎内置传感器和无线传输的方式采集轮胎内部的温度是目前的热点， 并且针对不同的功能要求系统开发也不尽相同，而开发一种可多点测量的无线轮 胎温度采集系统是本课题的研究方向。 1 3 课题的来源及研究内容 本课题来源于青岛市科技计划项目资助的“基于温度场的无线智能轮胎系统 的研制 ，黄海橡胶集团也对本项目给予了支持。 本论文的主要内容是基于无线通信的轮胎温度采集系统的研究，包括系统的 整体设计，硬件设计和软件设计，以及抗干扰设计和通信协议设计，具体的内容 和解决的问题如下： ( 1 ) 确定系统的整体方案和实现的功能。 ( 2 ) 温度采集器和接收器的硬件设计和软件实现。 ( 3 ) 温度采集器和接收器的通信协议的设计。 ( 4 ) 上位机管理软件的编写，实现温度数据的显示，存储和查询等。 ( 5 ) 系统的整体抗干扰设计和实际应用。 3 基于无线通信的轮胎温度采集系统研制 本课题通过对轮胎温度测量方法的研究，结合国内外智能轮胎的发展和研 究，设计了基于无线通信的轮胎温度采集系统，系统在硬件上采用了低功耗、高 集成的元器件，提高系统的可靠性，在软件上采用了高效率的算法，保证了采集 信息的准确性。系统在正常工作时，实时显示了轮胎内部不同点的温度，并且具 有人机交互能力。系统对行驶中的轮胎进行实时的温度数据的采集，并且通过台 架试验测试不同速度、载荷、胎压和环境温度下轮胎不同部位的温度，对建立轮 胎稳态温度场与胎压、速度、载荷和环境温度等各种因素的关系式提供重要的实 际数据，并且对研究智能轮胎有重要的参考价值。 4 青岛科技人学研究生学位论文 2 无线轮胎温度采集系统总体方案设计 2 1 无线通信技术的发展 通信就是将信息从发送方传送到接收方的过程，根据传输介质的不同分为有 线通信和无线通信。有线通信利用导线来传递信息，因此有线通信必须要事先铺 设专门的传输线路。而无线通信系统则是利用空间电磁波作为传输介质，在空中 传递信号。在发信设备与收信设备上需要安装天线，完成电磁波的辐射与接收。 无线通信系统具有独特的优势，可以省去铺设线缆的费用；同时很容易跨越 水域，克服山脉、峡谷等造成的传输障碍，利用自由空间进行通信使它具有了不 可替代的灵活性。无线通信也比较容易获得较远的通信距离，然而由于无线通信 是开放信道，信道的特性将直接影响通信的效果。而采用多路复用技术可以在一 个传输信道上传送多个信号、提高信道的利用率。常用的多路复用技术有时分复 用( t d m a ) 、频分复用( f d m a ) 、码分复用( c d m a ) 等。如果多个信号产生 于不同的地点时，则称为多址技术，相应的有时分多址( t d m a ) ，频分多址 ( f i ) m a ) 和码分多址( c d m a ) ，两种技术都在无线通信中加以应用。 无线通信系统自2 1 世纪初以来得到了迅猛的发展。其中蜂窝移动通信从模 拟无线通信到数字无线通信，从早期的大区制蜂窝系统，支持很少的用户，很低 的数据速率，但是有较远的传输距离，到目前的宏蜂窝、微蜂窝，通信半径越来 越小，支持用户越来越多，数据传输速率越来越高；从2 g 到3 g ，蜂窝移动通信 技术的产生、发展及应用是通信领域最伟大的成就之一。然而随着大量、廉价和 高度集成的无线模块的普及，和人们生活紧密相关的短距离无线通信技术与系统 也得到了迅速的发展。 2 1 1 短距离无线通信技术 在计算机等相关技术的快速进步，高性能、高集成度的c m o s 和g a a s 半导 体技术和超大规模集成电路技术的发展及低功耗、低成本消费类电子产品对数据 通信的强烈需求推动下，短距离无线通信技术得到了快速提高，无线局域网 ( w l a n ) 、蓝牙技术、z i g b e e 技术及移动自组织网络技术、无线网格网络( w m n ) 技术取得了巨大进展。 短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上上说，只要通信双方通过无 线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米，就可以称 5 基于无线通信的轮胎温度采集系统研制 为短距离无线通信。一般来讲，短距离无线通信技术从数据速率可分为高速短距 离无线通信和低速短距离无线通信两类。高速短距离无线通信的最高速率高于 l o o m b s ，通信距离小于l o m ，典型技术有高速l 冈v b ；低速短距离无线通信的最 低数据速率低于1 m b s ，通信距离小于l o o m ，典型技术有z i g b e e ，蓝牙。 高速短距离无线通信技术，目前主要应用于连接下一代便携式消费电器和通 信设备。它支持各种高速率的多媒体应用、高质量声像配送、多兆字节音乐和图 像文档传送等。低速短距离无线通信技术主要应用于家庭、工厂与仓库的自动控 制、安全监视、环境监视、军事行动等方面。 短距离无线通信的主要特点为通信距离短，覆盖距离一般为1 0 2 0 0 m ；另外， 无线发射器的发射功率较低，发射功率一般小于1 0 0 r o w ，工作频率为免付费、 免申请的全球通用的工业、科学、医学( i s m ) 频段。 低成本、低功耗和对等通信是短距离无线通信技术的三个重要特和优势。低 功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与无线通信距离短这个先天的 特点密切相关。由于传播距离近，遇到障碍物的几率小，因而发射功率普遍都很 低，通常在1 毫瓦量级。对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于无 线网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转， 因此空中接口设计和高层次协议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争 的方式。目前应用较多的几种短距离通信技术的介绍如下。 ( 1 ) 红外通信技术( k d a ) 红外通信技术( i r d a ) 是由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协议， 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，也是目前使用较广泛的短距离无线通 信技术。它一般采用红外波段内的近红外线，波长在0 7 5 2 5 m m 之间【1 2 1 。目前 i r d a 的最高速度标准为1 6 m b p s ，通信距离在l m 以内，同时在点对点通信时要求 接口对准角度不能超过3 0 0 。i r d a 技术无需专门申请特定频率的使用执照，具有 移动通信设备所必需的体积小和功率低的特点，但是通信距离短、通信过程中不 能移动、遇障碍物通信中断、功能单一和扩展性差等缺点大大阻碍了i r d a 技术 的发展，受到了短距离射频通信技术的挑战。 ( 2 ) 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是由e r i c s s o n 、i b m 、n o k i a 、i n t e l 和t o s i b a 等公司在1 9 9 8 年联合推出的一种先进的无线网络技术。它以低成本的近距离无线连接为基础， 为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，其工作频段为全球通用的i s m ( 即 工业、科学、医学) 频段。蓝牙的数据传输速率约为1 m b i t s ，采用时分双工方案 来实现全双工传输，通过增大发送功率可以将距离延长至l o o m 1 3 】。蓝牙技术作 为一种新兴的技术，主要具有以下特点：规范的开放性、产品的互操作性及兼容 6 青岛科技大学研究生学位论文 性，公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。但蓝牙设备也存在不足之 处，其价格较贵，通讯距离近。 ( 3 ) z i g b e e ( 8 0 2 1 5 4 ) 技术 i e e e 无线个人区域网( p a n ) 工作组的i e e e8 0 2 1 5 4 技术标准是z i g b e e 技 术的基础【1 4 1 。z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成 本的双向无线通信技术。它的传输距离1 0 一- , 1 0 0 m 的范围内，且在有障碍时也可 以进行传输。它同样使用2 4 g h z 波段，采用跳频技术和扩频技术，它可与2 5 4 个节点联网，这些特点使其在工业监控、传感器网络、家庭智能化等领域有很大 应用【1 5 】。 ( 4 ) 射频技术 射频技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据，其产品既可以工作在 1 8 1 9 g h z 的特许频段，也可以工作于i s m 频段。射频通信模块的加密协议使用 简单，数据传输协议也简单透明，并且有硬件自带的数据校验协议，通信模块的 工作频率、发射功率和发射接收地址都可以通过软件设置完成，用户不需要对无 线通信原理和工作机制有较深的了解，只需按照命令字进行操作即可操作通信模 块实现基本的数据无线传输功能【1 6 1 。近年来随着通信技术、集成电子技术和计算 机技术的发展，射频( i 疆) 技术也趋于成熟，很多公司开发出了种类齐全的无线 射频数据传输芯片。这些射频芯片，不仅传输速率快，而且失真度、灵敏度等指 标都有较大的提高。随着射频技术的发展，无线通信芯片尺寸越来越小，功能也 越来越齐全，信号的稳定性也越来越高，传输速率更快，传输距离更远，硬件实 现简单，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。 2 2 系统概述 轮胎在转动过程中，由于内部各个点的温度的不同，因此需要采集多个点的 温度，基于本系统测点较多、施工现场环境恶劣、布线困难、通信距离比较近的 特点，本课题的研发主要围绕短距离无线数据传输技术，通过比较几种短距离无 线传输技术，采用了符合系统要求的短距离无线射频技术以实现温度数据的高精 度采集和全数字化传输，在现场监测中心采用人机交互技术，利用计算机监测软 件实时采集轮胎内部温度的变化，并为以后进行定量和定性分析提供准确的、大 量的数据。 2 3 系统的功能 ( 1 ) 实时温度测量。轮胎内部的温度在没有达到稳态时，随着时间的变化 7 基于无线通信的轮胎温度采集系统研制 是一个缓慢上升的过程，因此对实时性要求较高，系统对温度进行了连续采集。 ( 2 ) 温度数字和曲线显示。采集的温度可在上位机上数字显示和曲线显示， 并且可利用曲线分析温度变化。 ( 3 ) 历史数据存储查询。保留温度数据资料，为以后具体的数据分析和研 究提供直接的数据资料。 ( 4 ) 温度数据无线传送。可将温度数据无线传输到远程上位机，实现温度 数据的无线采集。 ( 5 ) 现场循环显示各测点温度。 2 4 系统的整体结构 结合课题的研究要求，设计系统的整体结构如图2 1 所示。 无线轮胎温度采集系统主要由温度采集器，温度接收器和上位机组成。温度 采集器和温度接收器通过无线传输方式交换数据，上位机通过r s 2 3 2 总线与温度 接收器连接，从中读取数据并且进行处理。 轮胎温度的测量是本系统的一个重要部分，温度数据能否实时准确的测量影 响着整个系统的运行。温度采集器主要由温度传感器、信号处理模块、微控制器 和无线收发模块组成。测温传感器直接与微处理器连接，并且连接方便，可自由 拆卸。采集器的电源采用电池供电，外壳采用铝制外壳，抗干扰能力强，安装也 非常方便。 信数 j 液晶显示 据 y 数 t 温度 号 一微控制器h 发 据 微控制器 信号 处 理送 接 收 i 、。 0 上 温度采集器 r s 2 3 2 卜 位 机 图2 1 系统的整体结构图 f i g 2 1f r a m ep i c t u r eo ft h es y s t e m 温度接收器主要由微控制器、液晶显示模块、无线收发模块组成，温度接收 器一方面通过无线方式接收来自温度采集器的数据，另一方面通过r s 2 3 2 总线与 8 青岛科技大学研究生学位论文 上位机进行数据交换，根据系统要求完成与上位机的通信，将轮胎内部不同点的 温度数据传送给上位机。 上位机是标准的p c 机，在w m d o w s x p 、2 0 0 0 或n t 环境下运行，在上位机 管理软件的控制下，通过r s 2 3 2 总线与温度接收器进行数据通讯。上位机管理软 件可以实现如下的功能： ( 1 ) 可设置时间采集各个测点的温度数据。 ( 2 ) 记录并且显示各个测点的温度，并且可实现历史数据的查询。 ( 3 ) 温度变化趋势以折线图的方式显示，并且可以打印。 2 5 系统的工作原理 系统要采集的是轮胎内部不同点的温度，因此温度采集器包括多个温度传感 器。从温度传感器出来的信号是模拟信号，信号调理电路专用于对模拟信号的放 大和a d 转换，由微控制器完成温度数据的软件滤波和可视化转换，最终的数据 由无线收发模块发送出去。温度采集器与接收器之间通过无线传输的方式交换数 据，并且只有接收到来自接收器的采集命令后才会开始温度数据的采集。 温度接收器与温度采集器之间的数据交换是无线传输方式，为了提高传输效 率，确保通信的可靠性，无线传输遵循自制的无线通信协议，通信的协调由温度 接收器按照通讯协议控制。温度接收器与采集器的通讯也不得超过通讯模块的有 效距离，否则会造成通讯的失败。温度接收器与上位机之间通过串口交换数据， 并且两者之间的通讯也遵循一定的通讯协议。上位机发送控制命令给温度接收 器，温度接收器传送温度数据给上位机，整个采集系统在上位机管理软件的控制 下进行数据的传输交换，上位机是控制命令的发起者。接收器不仅可以传送、转 换数据，同时也可通过液晶显示轮胎内部不同点的温度。上位机在上位机管理软 件的控制下完成温度数据的显示、打印、历史数据记录等功能。系统软件可以在 显示器上开多个显示窗口，各个窗口可同时显示不同点的实时温度数据，并且上 位机对温度数据的采集周期是可调的。 9 基于无线通信的轮胎温度采集系统研制 3 温度采集器设计 在无线轮胎温度采集系统中，温度采集器的主要功能是采集轮胎内部不同点 的温度，并且按照接收器的命令要求无线发送温度数据。温度采集器大部分时间 是处于发送状态，在系统初始化后，温度采集器处于接收状态，接收来自温度接 收器的采集命令，只有收到温度采集命令后温度采集器才开始温度数据的采集， 并且无线传送温度数据。无线温度采集器与温度接收器之间遵循无线通讯协议进 行通信，无线温度采集器只有收到温度接收器的采集命令后才做出响应，不会主 动向接收器发起通讯联系。 温度采集器的设计是本课题的重点，温度数据采集的准确性影响着最终数据 的分析，因此温度采集器采用高精度的温度传感器和温度转换芯片，采集的温度 精度大大提高。本文设计的温度采集器采用电池供电，系统应用低功耗策略，从 而延长电池的使用寿命。温度采集器的设计采用了硬件和软件抗干扰措施从而避 免其它电信号对数据传输的干扰。 整个无线温度采集器是由电池供电，因此在设计硬件电路电路时要考虑系统 的能耗。本文在设计方面通过以下几项措施降低功耗： ( 1 ) 在满足系统功能的条件下选用低功耗的主控芯片。 ( 2 ) 设计中使用到的其它芯片和器件在满足要求的情况下，尽可能选用低 功耗的产品。 ( 3 ) 考虑到系统无线收发模块的特性，通过软件设计降低系统的功耗。 本文设计的温度采集器主要由温度传感器、温度信号处理模块、微控制器和 无线收发模块组成。根据设计的要求，温度采集器应当具有体积小、抗干扰能力 强和低功耗的特点。经过分析比较，微控制器采用a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 微控 制器，温度传感器采用高精度k 型热电偶，温度信号处理采用m a x 6 6 7 5 温度转 换芯片，无线数传模块选择n o r d i c 公司推出的单片射频收发器n r f 9 0 5 。温度采 集器的结构如图3 1 所示。 系统上电后，微控制器a t 8 9 s 5 2 通过模拟s p i 口控制无线通信芯片n r f 9 0 5 处于接收模式，接收来自温度接收器的采集命令，收到命令后微控制器启动温度 信号转换器m a x 6 6 7 5 ，采集轮胎内部的温度信号，并且温度信号经过转换处理 后，再由微控制器控制n r f 9 0 5 为发送模式，发送采集到的温度数据。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 温度信号微控制器 i 温度传感器b转换器 无线通信芯片 m a x 6 6 7 5n r f 9 0 5 吼8 9 s 5 2 图3 - 1 温度采集器的结构图 f i g 3 - 1f r a m ep i c t u r eo f t e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e 3 1 温度采集器硬件设计 3 1 1 微控制器单元 3 1 1 1 微控制器的选型 微控制器单元的设计是整个温度采集器的核心部分，针对本系统要求体积 小，低功耗的特点，微控制器选用了a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 微控制器，微控制 器的主要功能是管理系统的所有外围设备，完成温度数据的采集、处理和数据的 发送等工作。 a t 8 9 s 5 2 是一款低功耗、高性能c m o s8 位微控制器，具有8 k 字节在系统 可编程f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工 业8 0 c 5 1 产品指令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器在系统可编程， 也适用于常规编程器。在单芯片上拥有8 位c p u 和在系统可编程f l a s h ，使得 a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i o 口 线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器，一个6 向量2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路【1 7 1 。另外，a t 8 9 s 5 2 可降至 0 h z 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，c p u 停止工 作，允许r a m 、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，r a m 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位 为止。 3 1 1 2 复位电路 微处理器在运行过程中可能会受到各种干扰例如射频干扰、电源内部产生的 干扰，这些干扰妨碍了微处理器的稳定运行。微处理器程序跑飞后只有通过可靠 的复位，才能正常运行。因此复位电路设计的好坏直接影响了微处理器的稳定性。 基于无线通信的轮胎温度采集系统研制 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后撤 销复位信号，为可靠起见电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防 电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。 复位电路应具有上电复位和手动复位功能，复位脉冲的宽度至少要大于2 个 机器周期。图3 2 为实际应用的复位电路，电路对于脉冲干扰有良好的抑制作用。 i 垦 + ，鲁1 盈虽 青岛科技大学研究生学位论文 贴于轮胎内表面或置于轮胎轮毂上，本设计的温度传感器是在轮胎硫化的过程中 置于轮胎内部不同的点，对温度传感器的要求更是严格，不仅要考虑轮胎的加工 工艺，还要求温度传感器要耐高温和耐腐蚀，合理的选用温度传感器是本设计首 要考虑的。 通常用来测量温度的传感器有热电阻温度传感器、热电偶温度传感器、半 导体温度传感器。 ( 1 ) 热电阻温度传感器 热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化 而变化的特性进行温度的测量【1 8 1 。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就 可以测量出温度。目i j 主要有金属热电阻和热敏电阻两类。金属热电阻的电阻值 和温度一般可以用以下的近似关系式表示 r = e