汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端设计与实现研究(可编辑)

汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端与实现研究(可编辑) 汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端设计与实现 研究 哈尔滨工程大学 硕士学位论文 汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端的设计与实现研究 姓名:刘迪铭 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:付永庆 2012-03-14 1汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端的设计与实现研究 摘 要 随着汽车成为人们生活中不可或缺的生活工具,由汽车爆胎导致的安全事故也层出 不穷,汽车胎温胎压监测系统就应运而生。模块一般是固定在汽车轮 胎内部,具有不易拆卸的特点,并具有唯一编码。汽车出厂时会将各个轮胎内 系统唯一编码预置到汽车仪表终端,从而实现点对点的监测,但是,当汽车轮胎损 坏需要更换或者模块损坏需要更换时,如何高效稳定的实现对汽车仪表终端内 编码进行更新,目前尚无比较完整的。一般来讲,都是通过有线的方式,在汽车维 修厂通过总线及计算机终端等工具去手动更改。此有线方式操作繁琐、效率低下、 自动化程度低并且应用灵活性较差。 本文研究的汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端是在哈尔滨威帝电子有限公 司委托下,针对汽车轮胎内模块不易拆卸的特点而设计的一种通过无线方式自动 获取轮胎内传感器模块号并重置汽车仪表终端内可监测传感器模块号的手持终 端。该终端广泛应用于汽车总装厂、汽车维修厂、轮胎生产厂等场合,可以稳定高效自 动修改汽车仪表终端内参数,具有很强的市场竞争力和良好的市场前景。 文中给出了现有系统工作流程图及通信协议等内容。根据系统设计要求详细 介绍了无线手持设置终端的软硬件设计原理,主要包括主控制系统设计、无线通信系统 设计、显示触摸系统设计、充电系统及电源系统设计等。本文设 计选用位. 内核的微控制器作为控制核心,其高效快速的数据处理能力可以承担系统数据通 信及外围模块控制任务;无线通信系统包括方案选取、射频参数设计、天线网络设计及 软件设计,并对可能引起系统误码率和稳定性的因素进行了多方面分析;采用彩色 液晶显示器作为人机交互操作终端,采用触控方式以获得良好操控体验,显示触摸系统 设计包括硬件接口设计、触摸屏校准、人机交互界面设计及系统软件设计等;本文 采用镍氢充电电池组作为系统可重复利用电源,详细阐述了内置充电系统的硬件设计方 法、参数的选取,进一步对实物充电性能进行了测试并给出了具体测试结果。本文对系 统整体软件构架及底层模块驱动进行了详细阐述并给出了实现,首次提出采用无线 自动方式实现对汽车仪表终端内参数进行更新的方案。为配合多车型使用,终端软件设 计兼容多种车型,可任意选取合适的车型进行轮胎传感器模块号配置。本文还创新 性利用卡及盯文件系统实现图形界面数据存取与显示调用,此方 法可支持对人机 操作晃面灵活设计和升级。为提高触摸操作精度,本文提出了一种改进型的触摸屏 2哈尔滨工程大学硕士学位论文 校准算法并具有良好应用效果。为使系统在复杂电磁环境下可以稳定工作,本文设计了 性能优良的抗尖峰浪涌系统,按照国标对实物系统进行了性能测试并取得了较 佳的效果。本文设计研究的样机已经过实际性能检验,目前已由哈尔滨威帝电子有限公 司批量生产。 关键词:胎温胎压监测;队;无线手持设置终端;触摸屏;抗尖峰浪涌 3汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端的设计与实现研究,, ’ 玛. , ..血 卜, 砌. 伍 锄 工 恤?啦 锄.. 舡晰,伍, 时 . 工 伽 蚯 ,晰工 .,. . 皿 , 王 . 血 , 血 也., , 】:锄. 删 也 ,. , 删,也 , , . 伍 也仃 . 奴工 印 :. 铆趴, 锄, 胁.撕 4哈尔滨工程大学硕士学位论文芏 也 何迦 廿 砌 鹏 . 盟 血, . ? , 鹕也也 . 锄. 谊 锄 砒 也 印 . & ? 锄 . 恐吼 印 ? . 够 衄., 也?汀 也 血伊 .一 .? 工 铲 . 也. 】工丽也 谢. 舵 . 锄血 也 工 .,. :;认 ;谢 ; ;? ?苫 5第章绪论 第章 绪论 汽车胎温胎压监测系统广泛应用于对汽车轮胎温度压强进行监 控,从而 避免汽车在驾驶过程中由于轮胎温度过高或者路况复杂导致的 爆胎现象,主要由 安装于轮胎内部的传感器模块以及汽车驾驶台的显示平台组成。传感器模块放置在轮胎 内部具有不易拆卸的特点,这给现场查验它的号带来了不便。根据这一特点及哈尔 滨威帝电子有限公司的要求,本文开展了手持传感器模块设置终端的研究工作。 .研究背景和意义 对于汽车行驶安全至关重要,是汽车安全中的热门研究方向,对于汽车轮胎 内部气体的压力监测,目前可分为间接式测量和直接式测量两种方法【’。问接式测量 方法是利用车辆的防锁死制动系统,对车辆轮速差进行测量,并测量轮胎直径 相对于气压泄漏的变化来得出轮胎的压力【’,直接式测量方法是利用置于轮胎内部的 传感器来对轮胎内部环境进行直接的监测,这种方法测量直观,精度较高,目前大多数 监测系统都是使用直接测量的方案。直接测量法的一般由位于轮胎内部的无线传 感器模块及汽车仪表终端的显示平台组成,显示平台模块内部存放有汽车各个轮胎的唯 ~号码,用于接收显示各个轮胎的温度及气压状况。当汽车轮胎损 坏或者模 块损坏需要更换时,需要对汽车仪表终端显示平台内的传感器号一起进行更新,从 而实现轮胎与显示数据的匹配,而传感器号为内置系统唯一编码,无法用肉眼进行 识别,因此设计一种能自动获取轮胎内传感器模块号并对仪表终端显示平台内的传 感器号进行重置的设备,支持产品后续的维护与升级,实现高效快速的更新 相应参数。 本课题的研究选自哈尔滨威帝电子有限公司委托开发的科研项目,主要是针对该公 司已经推向市场的产品【】,设计与研究一种配套的维修与升级设备。该公司的 设备采用直接式测量,汽车每个轮胎内部安装有无线测量模块,每个模块 有自带的唯一号。根据委托要求,本文设计采用无线信道作为数据传输信道,按其 通信协议及特点,设计了自动捕获识别轮胎内监测模块的号,并存储 和以无线方式对汽车仪表终端显示平台内的号进行重置。考虑到本设备需要应用到 汽车工厂以及维修厂等场合,为了便携使用,本设计采用手持方案,使用彩屏显示, 并利用触摸屏实现触控操作,内置可充电镍氢电池组可重复利用。本文设计研发的手持 终端目前已经经过实际检验,并由哈尔滨威帝电子有限公司开始批量生产。 6哈尔滨工程大学硕士学位论文 .国内外技术研究现状 是在上个世纪年代出现的,当时的汽车无法预知轮胎的实时状况,为了 缓解轮胎爆胎等因素导致的交通事故,出现了间接式测量轮胎压力状况的设备。随着人 们对汽车驾驶的安全性要求越来越高,也得到了长足的发展,从最初的特殊汽车 安装模块到现在逐渐成为汽车标配的模块之一,也由间接式测量发展为直 接式测量方式,并且技术也越来越成熟。尽管模块具有很广的应用范围,但是与 之对应的维修及升级设备,并未随之发展到成熟的阶段。每辆汽车的模块都需要 有一个唯一的号作为标识身份,从而能够有效稳定的实现数据的收发,避免漏报、 错报的情况。当汽车需要更换模块时,目前广泛采用总线的方式来进行数 据更新,汽车维修厂通过总线将计算机接入到汽车仪表终端,将更换后的 模块号写入到汽车仪表终端中,这样的操作方式带来如下几个问题: 需要使用计算机及额外开发软件平台 由于没有专门的维修设备,汽车维修厂只能使用笔记本电脑通过总线接入到 汽车仪表终端,同时需要配套专门的更新软件,维修人员通过手动操作方式进行汽车仪 表终端内的传感器号更新,采取此方式大大降低了操作的简洁性,同时需要的硬件 和软件成本开销大大提升。 操作的方便性问题 由于模块置于汽车轮胎内部,若每次更换轮胎或更换轮胎内部的传感器模 块,按现行的维护模式就不可避免地需要使用总线,因此需在汽车仪表终端预留 接口。如果没有预留,那么维修人员就需要拆开汽车仪表终端面板,把笔记本电 脑经接口电路接入到汽车总线上,因此操作极为不便和繁杂。另 外,由于传感器 模块号编码也会因为标签脱落无法识别进而导致无法更换。再因传感器模块是内置 式,如果是直接更换轮胎,那么轮胎外部也需要贴上内部传感器模块号标签,汽车 厂或维修厂的环境相对比较复杂,非常容易因为潮湿等状况发生脱落,从而导致号 无法获取,这一系列的问题就导致了现有维护模式的不足。 操作的效率问题 有线操作方式一般分为线路接入、号的读取与输入及更新操作等步骤,因为需 要手动获取号以及输入到计算机平台,最后才能执行更新操作,整个过程都是手动 完成,操作的实效性大大降低,如果需要更换多个轮胎或者多个传感器模块,那么需要 花较长的时间,根据哈尔滨威帝电子有限公司提供的数据,目前完成一次更新,需耗时 7第章绪论 ~分钟。因此伴随系统装车数量的增加,现有维护模式最终将难以为继。 无法提供操作的可能 目前模块虽然应用十分广泛,但是还没有达到成为车辆的绝对标 配地步,很 多用户是在使用车辆的过程中,开始意识到汽车轮胎爆胎可能带来的安全问题,因此用 户如果需要升级,给汽车配备模块,那么必须要到维修厂进行升级,由于没有对 应的更新设备,无法实现操作,如果有更简单便携的操作设备,那么就为汽车用户 设置提供了可能,用户也可能花费更低的费用,实现对车辆的升级改造。 本文主要针对目前维修和更换汽车轮胎及传感器模块时参数更改所采用的 有线操作方式带来的各种问题,根据哈尔滨威帝电子有限公司提出的委托要求,设计和 研发一种无线手持设置终端来提高现有维护模式的工作效率,为系统传感器更新 和重置提供解决方案。 .论文的主要工作及结构安排 本文主要根据需求提出了系统整体方案,设计了无线手持设置终端的硬件系统,研 究了软件设计原理并实现整体软件设计,提出了触控操作方式并研究了屏幕触摸校准方 法,提出基于卡和文件系统的容易设计的人机交互界面实现方法 并给出了具体 设计,针对手持设备特点,设计了内部充电系统、电压监测系统及电源变换系统等。文 中首次提出采用大尺寸彩屏作为显示平台,采用触控操作方式,为配合各种车型的 使用,界面引入了多种车型兼容的软件设计模式,可以任意选取合适的车型及轮胎。 论文的章节安排如下: 第章,通过对的发展概述引出本文的研究背景和意义,介绍了目前业界广 泛采用的技术方案、研究现状和存在的问题,并给出了本文的主要工作和结构安排。 第章,首先对哈尔滨威帝电子有限公司系统进行了介绍,着重说明了其实 现模式以及通信流程,给出了无线手持设置终端的设计要求,整体以及整体框 图等内容。 第章,根据整体设计方案,对系统进行了硬件设计,对各个模块的设计思想、原 理及具体实现电路图都进行了详细的说明,计算相关参数并针对可能出现的问题进行分 析,主要包括整体控制电路、无线射频模块设计、充电系统设计 及.转换电路设 计。 第章,主要讨论了图形交互界面设计与触摸屏校准算法研究,根据设计思想给出 了系统具体的设计界面,利用提出的校准算法用于对系统触摸校准。 8哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章,对系统的软件实现进行了详细的阐述,包括顶层软件设计和系统各模块底 层驱动程序的软件设计。 第章,对该手持设置终端的性能和相关参数进行测试并给出结果和分析。 最后对本文研究工作作出总结并给出结论,指出了有待进一步深入研究的内容。 9第章无线手持设置终端的系统方案设计 第章 无线手持设置终端的系统方案设计 .汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端设计要求 根据哈尔滨威帝电子有限公司现有系统在维护过程中出现的问题,本文提出 了一种全新的手持设置终端解决方案,该方案对车胎内传感器模块传送的数据进行截 获,再以经过修改后的无线自动收发的方式把原始轮胎内部的传 感器模块参数传 送给终端显示接收机,同时该方案支持接口扩展,采用触摸显示屏作为操作 控制和显示器件。 ..无线手持设置终端的功能要求 、通过无线方式获取汽车内传感器模块的号并存储; 、除采用无线通信的功能外,还支持总线接口,用于在特殊情况下采用有线 方式连接其他车载设备,例如汽车记录仪等其他车载终端; 、支持至少种轮胎布局方案,并支持任意切换布局方案,以支持更多的车型; 、选定汽车轮胎布局后,可以任意选定指定轮胎,并给出相应指示; 、系统显示及人机交互界面终端要求使用.时以上触摸屏,哈尔滨威帝电子有限 公司建议使用.时触摸屏,以获得更好的操作体验; 、需要设置给汽车仪表终端的更新通过自动获取或者手动输入的方式实现,可 以不使用中文输入法,但至少要方便输入及切换; 、手持设备终端使用可重复利用电源如镍氢电池组、锂电池等,充电系统可以使 用分离的充电器或集成在手持设备终端中,要求设备续航能力达 小时以上; 、具有扩展的存储系统,用于存储相关数据或者备用; 、兼容哈尔滨威帝电子有限公司模块通信协议。 、支持低功耗模式,具体为支持触摸屏背光关闭及更低功耗下的待机模式,同时 支持触摸唤醒或其他唤醒操作。 ..无线手持设置终端主要技术指标 由于无线手持设置终端主要使用在汽车维修厂、轮胎装配厂等场合,要求具有较高 的稳定性以及可以在复杂的环境下使用,其主要技术指标如下: 、整体设备电源输入电压为直流~; 、设备工作环境温度为.~。; 10哈尔滨工程大学硕士学位论文 、工作环境湿度范围~%; 、手持设置终端在正常使用状态下不低于小时的续航时间; 、无线信道工作频段为频段。 、无线手持设置终端在与汽车轮胎距离米范围内,单次设置成功率高于%。 、无线手持设置终端具有待机和唤醒功能,无操作状态下 秒进入关闭背光低功 耗模式,长时间无操作进入待机或停机模式。 .无线手持设置终端整体设计 ..无线手持设置终端工作方式简介 汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端主要通过无线通信的方式,自动接收汽车 轮胎内部传感器模块发出的信号,根据发出的信号协议提取出传感器唯一 的号,然后将号再通过无线的方式设置到汽车仪表终端的设备中。无线手持设置 终端设备的使用示例如图.所示。 图.无线手持设置终端使用示例图 汽车每个轮胎内部都分别装有传感器模块,该模块采用直接测量方式监测轮 胎的温度与气压,通过特定的通信协议【,将所监测的参数打包发送到位于汽车仪表终端 的接收设备中,每个模块具有唯一的传感器号,同时在汽车仪表终端设备里, 预先存储了每个传感器模块对应的号,从而实现点对点的接收,系统原理示 意框图如图.所示。 无线手持设置终端需要通过无线的方式自动获取轮胎内部传感器号,并显示在 设备的显示面板上,同时可以人工命令将接收到的号写入到汽车仪表终端的设备中, 从而实现对汽车仪表终端设备内传感器号的自动更新。当汽车轮 胎需要更换或者汽 车轮胎内的传感器模块需要更换时,可以轻松的实现二次匹配, 达到预置的目的。 可以简化操作流程,提高操作效率。第章无线手持设置终端的系 统方案设计 数据采集发射模块 数据采集发射模块 \/?/ 轮胎内 轮胎内 接收显示模块 \ 汽车仪表终端 数据采集发射模块 数据采集发射模块 / 轮胎内 轮胎内 \\十.‖ \?夕 乡霄嘉飞 数据采集发射模块 数据采集发射模块. \ 轮胎内 轮胎内 图.汽车系统框图 ..无线手持设置终端的整体框图 根据设计要求,汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端整体框图如图.所示。 图.无线手持设置终端硬件整体框图 该无线手持设置终端主要是通过无线信道实现对汽车轮胎内传感器发射的数据进 行收发存储以及需要将收到的信息再发送给汽车仪表终端的设各中,故采用射频芯片作 为信道传输数据收发器件,并根据需要切换收发状态。同时为了兼顾支持有线模式下的 接口扩展,设计了接口。采用.时液晶触摸显示屏作为整体设备的显示操 控部件。为了实现数据的大量存储以及图形交互界面的实现,设计了外挂卡存储器, 充分利用虹文件系统以及卡的便携特性。为准确提供系统的时间信息,设计了外 哈尔滨工程大学硕士学位论文 置模块,通过锂电池供电。所有的外围模块,通过主控制器来完成 控制,主控制 器采用位?内核芯片处理器,主控制器用于管理各个模块需要的数 据以及指令,是系统的核心部件,电源系统根据设计要求需要兼容较大的电压范围输入, 因此需要使用电源转换芯片及电压监测管理芯片,在保证稳定提供系统电源的同时可以 对电源电压实行监测,从而可以避免因电源不稳定因素导致的系统数据丢失或者程序紊 乱。系统供电电源采用电池组供电,并在系统内部集成了充电系统模块,同时,如果在 电池组供电不足的情况下,可以使用满足电压范围的外部供电电源如稳压电源供电。 、无线通信模块的设计 无线手持设置终端最主要的的功能是通过无线模式实现数据的收发,哈尔滨威帝电 子有限公司系统采用直接式测量方式,并通过无线方式发送数据,传感器 模块如图.所示。 图. 传感器模块发射系统框图 汽车系统还包括位于汽车仪表终端处的接收显示平台,用于接收传感 器模块发送的汽车轮胎温度压力等参数,接收显示平台系统框图如图.所示。 图.接收显示平台系统框图 由于该手持设置终端需要进行收发双向数据传输,考虑到成本以及设计稳定性因 素,选择具有收发切换功能的射频芯片,使其工作在频段,通过主控制器对收发时 间的控制,可以完成要求,手持设置终端无线通信模块设计框图如图.所示。第章无线手持设置终端的系统方案设计 图.无线通信模块设计框图 、触摸显示模块及图形化人机交互界面的设计 本系统选用.时分辨率的彩色液晶屏作为显示面板,触摸屏覆盖在液晶 面板上,液晶触摸显示模块系统框图如图.所示。图中位总线接口用于 与无线手持设置终端的主控制器进行连接,主控器控制数据的显示与界面的切换,外部 用于存储在显示时所需要的图形数据等,液晶电源系统用于提供模块驱动芯片、 外部及背光电源,模块整体电源输入接入到整个手持设置终端的供电端,液晶面 板上集成了相应的及.电源稳压芯片。 图.触摸显示模块设计框图 图形操作界面涉及到大量图形数据,因此对于图形界面的数据源的存储,是一个重 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要的问题,大多数系统如手机或嵌入式终端等设备,都是由内部固化的或者 作为存储部件,将图形数据点阵提取后写入到或中,再由控制器 进行读取调用显示,此类方法的缺陷在于,需要先对图形界面进行完全设计并提取图形 点阵数据,如果需要进行更改,也需要重复此类步骤,整个过程相对繁琐,灵活性差, 并且硬件设计的复杂度及成本大大提升。本设计创新性的选用外扩卡作为图形界面 数据存储介质,图形界面以图片的形式直接存储于卡中,图形界面的设计直接通过 电脑图形软件完成,主控制器利用虹文件系统读取图片数据用于显示,此方法大大提 高了设计效率,并可以任意更改。 、电源系统的设计 根据设计需求,本系统需要能够具有较好的电池续航性能,因此设计电池组供电, 并集成充电功能,这样可以充分体现手持设备带来的便携性,电 源系统框图如图.所 示。 图.电源系统设计框图 抗尖峰浪涌电路主要用于对系统输入的前端直流电压进行滤波及整形,同时避免由 于尖峰浪涌现象对系统稳定性带来的威胁,电池组充电系统用于对电池组充电,电压监 测系统用于对电池组的电压进行监测,避免由于电池电量不足时造成系统数据丢失,同 时可以控制系统开关机,.变换电路是将前端电源进行稳压处理,为后级设备提 供合适的电源电压。 .系统工作通信协议介绍 系统的通信协作协议是信息数据传输的基础,在通信协议的基础上,收发双方进行 数据的交换,以保证数据的稳定有效传输。无线手持设置终端系统协议兼容哈尔滨威帝 电子有限公司系统通信协议。 该系统协议主要有无线手持设置终端接收的传感器模块数据协议及数据更 新重置协议。 第章无线手持设置终端的系统方案设计 .. 传感器模块工作状态及协议 传感器负责轮胎数据内部温度、气压等数据采集,由于模块的特殊性, 传感器模块在多数时间内都是处于低功耗状态,这样使得即可检测轮胎内部环境, 同时又可延长电池供电时间,因此模块可以分为运行状态和休眠状态,运行状态又分为 正常运行和报警运行状态。 正常运行时传感器模块间隔秒由休眠状态唤醒一次,完成测量和读取轮胎 的工作,如果测量的结果偏离正常的轮胎环境数值,则进入到报警运行状态;当汽 车正常行驶时,每间隔分钟向汽车仪表终端的显示模块发送一次汽车各个轮胎内部的 温度压力等信息,否则就转入休眠状态】 报警运行状态时,模块每隔秒会发出一次数据,数据包含轮胎的温度、气 压以及号信息,除非汽车轮胎内部环境恢复为正常值,否则一直以此状态连续发送 数据。 由于无线手持设置终端使用场合为重置汽车仪表状态显示模块 内部的传感器模块 号,因此终端需要稳定收取轮胎内新更换的未知的传感器模块号,为了稳定和快 速收取,此时应让汽车轮胎内传感器模块工作在报警运行状态。 ..数据通信协议 如前所述,传感器模块与汽车仪表终端的显示模块都工作在业余频段, 中心频率为.,工作带宽为,上下边频分别为.和 .,数据传输速率./,数据输入输出接口采用串口协议,由主控 制器控制数据的收发。无线手持设置终端需要完全兼容并支持系统的通信协议, 才能使工作频率、带宽及传输速率都与整个系统一致,并支持操作人员对手持设 置终端的操作控制和收发相关数据。 系统在数据传输过程中,使用的每包数据结构包括:导频码、链接标识、有 效的数据字节及相关的校验字节。系统数据协议如图.所示。 门。’西、、』‖。工删%只口?‘ 蛳 。? 耳蛹飙“掘王黼郴 图.系统数据协议 图中,为导频码,为链接标识,~为有效数据信息,、、、 分别为、、、的位循环冗余校验码数据。哈尔滨工程大学硕士学位论文 无线手持没置终端既要收取传感器模块发送的数据信息,同时需要将更新信 息发送到汽车仪表接收端,因此需要兼顾双方通信协议并制定了新的数据协议,无线手 持设置终端通信协议如图.所示。胎位 \一??夕二/??孑//// 导频码 链接标识 识别 新 轮胎位编码 标志位 /一 \//\?/一 \ / /请求/应答/成功/失败 图.无线手持设置终端通信协议 上图导频码为,与整个系统完全兼容,链接标识根据手持终端的工作状态,需 要进行接收或发送不同的数据包,此时链接标识也不一样,识别为更换前轮胎内部 传感器模块对应的号,用于确定对指定轮胎进行操作,新为该轮胎更换 传感器模块后对应模块的号,轮胎位编码是对指定轮胎的编码,不同的车型 及轮胎位,具有不同的编码,具体阐述在第章软件设计章节中说 明,最后的标志位用 于在操作过程中进行状态识别及判定是否操作成功等。 .本文涉及的关键技术及创新 ..增加数据可靠性 为保证无线通信可靠新,不仅需要构建稳定的通信信道,同时需要在软件上进行优 化,本文设计的手持终端加强了与系统双方的握手与状态确定,对于有效数据同 时采用差错检测,由于一般情况下使用的奇偶校验法检错率比较低、可靠性相对比较差 ?,不宜采用,因此采用循环冗余校验法,该方法检错率较高,算法比较容易实现,可 以使用较少的资源实现较优的效果,本设计采用校验算法为数据包提供检错处理。 第章软件设计章节将对校验编解码进行介绍。 ..触摸显示驱动及校准 作为手持终端,设备的操作性能及显示性能至关重要,友好的人机交互界面是提高 操作效率的重要环节,同时考虑到系统使用场合,软硬件成本及实用性都是需要考虑的 因素。本文设计的无线手持设置终端采用.时分辨率的彩色液晶显示屏及触 摸屏组成需要的模块,采用专业驱动芯片实现驱动,触摸屏的精准度是触摸效果的关键 因素,因此在对触摸屏使用过程中需要对触摸屏进行校准,以保证操作的准确性。 第章对触摸屏校准算法进行了深入研究并提出了一种适合本系统的改进校准算 法,通过测试具有良好效果。第章无线手持设置终端的系统方案设计 ..基于盯文件系统及卡的图形交互界面设计 本设计创新性的选用外扩卡作为图形界面数据存储介质,图形界面以图片的形 式直接存储于卡中,图形界面的设计直接通过电脑图形软件完成,主控制结合? 文件系统读取图片数据用于显示,此方法大大提高了设计效率,并可以任意更改和实现 升级操作。 第章图形交互界面设计部分将对此方法的实现进行详细阐述。 .本章小结 本章主要介绍了汽车胎温胎压监测系统无线手持设置终端的整体设计,对相关结构 及涉及的相关关键技术点进行了阐述。首先给出了无线手持设置终端的应用场合模型, 根据设计提出了实现整个无线手持设置终端的设计框图,并对框图中几个主要的部分进 行了设计思想进行了简要阐述,然后对系统现有的通信协议进行了介绍,在现有 协议的基础上,给出了无线手持设置终端的兼容通信协议,最后对关键技术和创新点进 行了说明。哈尔滨工程大学硕士学位论文 第章 无线手持设置终端总体硬件的设计 本文研究的无线手持设置终端,无线信道是数据传输的基础,控制系统是系统整体 运行的控制中心,选择合适的无线信道建立方案及控制系统,可以使得系统工作在良好 的状态并获得稳定的数据传输性能。 .微控制器及外围电路设计 本终端微控制器主要用于对无线通信模块、显示模块、时钟系统等进行控制,本设 计选用基于?内核的位 作为主控芯片。 .. 介绍 是有公司推出的高性能位微控制器,它具有如下特点【】: 、采用 位.内核,最高工作频率,./, 并且支持单周期乘法和硬件除法。 、片上集成的存储器和的存储器 、支持.~.的电源供电和/接口的驱动电压,具有可编程的电压探测器 ,支持~晶振并内嵌 振荡电路,内部包含用于的电 路。 、支持休眠、停机和待机三种低功耗模式。 、具有通道的控制器,并支持定时器、、、、、和 汀等外设。 、支持和调试,方便使用开发工具进行快速开发调试。 、多达个定时器,并具有独立的滴答定时器。 、多达个通信接口,包括接口、接口、接口以及接口等。 高达的系统运行频率,不仅可以保证数据的高速传输,同时对于驱动触摸 显示屏实现图形界面的大数据传输具有至关重要的作用,如果数据传输速率达不到显示 刷新的速率要求,将出现屏幕切换过程中延迟的现象导致显示效果变差。本系统的图形 化界面所需要的数据存储在外置卡二,因此片上集成的大小空间足 够存储整个系统需要的程序代码,数据空间用于储存在程序调用过程涉及到的相 关数据变量,和足以保证系统的完整流畅运行。根据系统设计要 求,尽管 以无线通信作为系统通信数据的主要通道,但是考虑到兼容目前现有的使用方式,有线 接口也需要作为备用接口预留在系统中,微控制器内部总线接口使得扩展总第章无线手持设置终端总体硬件的设计 线更加方便,只需要添加相关外围芯片即可接入汽车总线系统中,系统的集成性 大大增强。片内的接口、接口及丰富的接口等,也使得对其他部分的扩 展更加方便快捷,可以利用最少的硬件实现必须的功能。 作为无线手持设置终端设备,应该尽量控制设备大小,方便操作,因此选用 封装,减少在设计时的面积,从而达到减小体积的目的。 .. 控制器硬件电路设计 微控制器部分硬件电路主要是时钟系统、复位系统、调试接口及电源系统等的设计, 设计原理图如图.所示。 立 ?墨:瞄 鼢? :蛊 ; 目 ? ? ? ? ? ? 文 强婚群? ;,芸? ?? ??? ??’?:口, ? ?: %一? 删五肾墨, ? ? % ?? ,?? ? ? 尹 ? ?? 日 矩 》 口 ; . ‘盟 ?乏 %二 ?? 韬? 口?? 』 ‘递, 超, 挚罄 嚣“船私 圜?因~ 图.微控制器硬件电路设计原理图 微控制器系统采用电阻电容结构组成复位系统并设置了一个复 位按键,该复位键 不仅可用于在系统出现程序跑飞情况下的复位操作,同时可以用 于在系统待机模式下的 系统唤醒,有多种低功耗工作模式,并具有唤醒输入管脚,因 此同时设计了一个唤醒按键,通过上升沿唤醒,由低功耗模式转 入正常工作模式。系 统外接晶振作为时钟源输入,通过软件设置自由调整倍频参数控制微控制器工作 时钟频率。为保证电源的稳定性,同时对芯片电源管脚设置了退耦电容,增强抗干扰性。哈尔滨工程大学硕士学位论文 图.所标识的电路原理图仅仅是微控制器部分的最小系统电路图,整个系统电路原理图 见附录。 .无线收发模块电路的设计 无线收发模块采用具有收发功能的射频芯片实现,单芯片集成收发模块可 以减少硬件结构及降低硬件成本,同时支持工作在业务的频段满足系统设计要求。 ..无线收发射频芯片概述 是全集成的单晶片低功耗、多频段的收发器,在无需申请注册的 、及频段的应用完全符合美国联邦通信委员会和欧洲电信标 准协会认证相关规定。内部集成包括有高频功率放大器,低噪声放大器、 /转换混频器,基带滤波器,放大器、/解调器。所需的功能都集成。仅需要一 个晶振和几颗退耦电容,全集成的元器件少,容易设计生产中无需统调。除具 备上述特点外还具备以下特性【】: 、射频参数具有极好的温度稳定特性; 、快速设置,可编程高精度锁相环,快速调频功能; 、高速率、直接差动无线输入/输出,集成优质功率放大器; 、可编程的发射频率偏差和接收基带带宽; 、信号强度检测输出; 、任务周期低功耗模式; 、兼容控制接口; 、数据质量检测输出; 、使用晶体振荡器作为参考晶体振荡器; 、.~.工作电压,可完全兼容系统其他部件; 数据传输可工作在模式或者非模式,根据系统设计,选择使用 非模式,该模式可以简化系统连接,只需要使用接口与微控制器 连接实现控 制功能,另外使用一条数据线即可组成数据通道。 ..基于的无线收发模块电路设计 无线通信收发系统电路设计参考官方典型应用进行设计并根据 本设计的具 体要求进行改进及优化,电路设计原理图如图.所示。第章无线手 持设置终端总体硬件的设计 图. 无线收发系统电路设计原理图 、射频模块电源相关参数设计 图.中为系统电源为提供的工作电压,、为电源滤波退耦 电容,尽管是由前端经过.芯片稳压而来,但是不可避免的在直流电压上仍 然会有轻微的交流信号叠加,也就是电源纹波,电源走线在板上可能会引入一些 干扰,如低频或高频干扰信号,对于这样的信号需要通过旁路电容进行滤波,同时芯片 内部的反复开关动作或输出发生变化时,需要瞬间从电源线上抽取较大电流,该瞬时的 大电流可能导致电源线上电压的降低,从而引起对自身或其他器件的干扰,为了避免这 样的情况,设计退耦电容用于削弱瞬时大电流对系统电压的影响,因此本系统设计了一 组大小不同的电容来避免上述情形以达到提高系统稳定性的作用。 根据芯片手册提供的电源参数要求,工作在频段时供电电流砌推 荐为~,工作在频段时推荐供电电流如为~,根据系统 的设计要求,在选择供电电流肠时选取工作在频段时的参数,即选择觑为 ,工作电压肠为.~.,由于本系统设计的工作电压为.,因此 工作时允许的最大掉电电压阮为.,芯片启动时间乃为左右,即芯片输 出驱动需要在将负载从提升到.,对于系统的同步开关噪声,在这 里 设计为左右,选取同步开关噪声‰值为。根据式.可以设计出旁路 退耦电容的大小: 砌木乃/‰ 作为高频及纹波旁路退耦电容。 根据上述参数并计算,选取电容为标称值 为滤除电源中可能存在的低频干扰信号,一般选择较大的电容来实现,通常选择哈尔滨工程大学硕士学位论文 ~的电解电容或钽电容可以实现较好的效果,在本设计中选择为,可 以尽量减少低频信号的干扰,同时较大的电容可以作为储能器件,减少芯片对电源的影 响,从而提高系统的稳定性。 为芯片接收信号强度模拟输出滤波电容,该电容选取根据芯片参数 提供的典型应用值,设计为。 、天线网络选取及参数设计 为外部工作晶振,为内部模块提供参考时钟信号,为保 证无线系统频率的精准度,设计选用具有高精度的晶振,精度设计为,使用 的无源石英晶体。 作为无线系统,由于工作的环境具有复杂性及不可预测的干扰, 因此最为重要的是 天线网络的设计,天线网络设计的好坏,直接关系到系统的性能,天线网络分为天线类 型与天线匹配网络两大部分,天线匹配网络设计选取典型的匹配网络进行设计。天 线网络等效电路如图.所示。 图.大线列络等效电路 其中,、为匹配电容,尺删为天线线圈等效的串联电阻,三洲为天线线圈等效 的串联电感,?为天线线圈的分布电容,一般来讲,天线三。,为~,巳,为 ~,硎为.~.,根据前文所述,选择工作在频段,因此无 线系统工作频率.厂为,则匹配电容可以根据以下公式进行计算: 国万厂 . , 壶?等 ? 万丢一 式中为输入阻抗,即天线网络阻抗,本系统为。第章无线手持设置终端总体硬件的设计 根据上述分析,为保证在调试的过程中可以对天线网络进行灵活 调整,设计选用一 个~的可调电容串入天线电路中,和共同组成调节网络,在调试时可 以将系统调节在一个最合适的位置。由于认采用差分信号进行天线信号的发射或 接收,因此匹配网络需要进行滤波处理,、、、、组成一个 滤波网络,用于差模滤波,从而提高电磁兼容性。 实践与测试证明,常规的接地天线存在诸多不足,容易受到干扰,而螺旋天线具有 。 更优异的电气特性,如带宽更宽,抗干扰性更强等【 在这里,设计螺旋天线的长度日取四分之一波长,它与螺旋天线的直径、圈数以 及工作波长五有关,它们共同决定了天线的增益和方向性【 ,,它们之间的关系可以用 下式来表示: 兄 ,, ‘? 。。。 肛百而菰岙丽 ?刀 /五 肚乡 式中波速为电磁波在空气中的传播速度木聊/,信号载波频率厂 为.。 假设设计天线的圈数行,天线直径为,根据上述公式可以计算出天线的长度日 约为.。但是在实际应用中由于分布电容的存在以及天线材料原因,天线的绝对参 数并不能严格按照上式得出,因此在实际调试时需要通过调整天线的直径、线圈数等以 达到最佳的状态。 参考文献介绍了螺旋天线的绕制方法,本设计用直径的漆包线绕制螺旋天 线,通过改变天线的直径、圈数船和高度办,同时通过调节天线匹配网络中的匹配电 容和来使得系统发射模块的辐射功率最大,达到最好的效果,通过频谱仪来 获取模块的发射功率,为了避免射频信号通过耦合进入频谱仪,模块与频谱仪之间应保 持一定的距离,实际测试大约~米左右可以避免耦合信号进入频谱仪,通过记录不同 参数下的频谱幅度,可以找到最大的辐射功率,此时的参数可以作为系统的固定参数来 使用,实际在工厂产品化时,可调电容及漆包线绕制的螺旋天线都需要进行进一步的优 化,关于优化留在后面的分析中给出。 、数据总线接口及设计 的控制接口为一组接口以及数据线通道,、、、分 别接入到微控制器接口,通过软件配置无线系统的工作方式,信号线为数据通 道,系统的数据流通过此通道传输,当系统工作在非发射方式时,此通道用于将哈尔滨工程大学硕士学位论文 需要发射的数据输入到,当系统工作在非接收方式时,此数据通道用于输 出到无线系统接收的外部数据到微控制器中,由于无线系统数据通道是唯一的,结合微 控制器的特点,将信号接入到的串口接收端,串口工作在半双 工状态,通过分时复用端口即可实现发射与接收的共同使用, 、、、 是在工作过程中一些其他信号线接口,微控制器可以通过识别信号状态来 获取的工作状态,如数据准备好或接收数据完成等。 、布局及线路设计 设计是实现实物化的重要过程,设计的好坏直接关系到系统的性能好坏, 根据第章和第章对系统的阐述与说明,无线收发模块是与其他模块集成在同一块主 板中,因此对无线模块部分的布局及线路设计显得尤为重要。 布局上采用双层线路设计,无线模块所有元件都设计在顶层,底层是电源及 地线走线层。无线模块所有元件尽量紧凑的放置在一起,布局依据的原则是重要元件之 间拥有最佳路径,比如旁路电容、退耦电容及滤波电容都要尽量靠近芯片对应 管脚位置,晶体振荡器靠近芯片输入引脚,对于电感元件应避免平衡放置,减少相邻电 感之间的变压器效应和形成的相互耦合干扰。由于无线收发模块与其他低频模块在同一 块主板中,因此无线收发模块应该与低频模块有一定的间距,为避免射频信号对低频模 块产生干扰,与微控制器连接的控制总线和数据线周围应该进行大面积的覆铜设计,覆 铜层连接到模拟地点,可以避免低频与高频之间的串扰,同时可以减少外界干扰源对无 线射频模块的干扰,从而可以更好的提高数据传输的稳定性。 天线位置不能位于主板的中央位置,应尽量避免与低频电路接近,同时为了提高辐 射效率,天线应该有较大的独立空间,因此在设计时将天线设计到主板边缘位置, 同时给予足够的空间,四周进行覆铜铺地设计,可以保证天线的增益和方向性,同时在 产品化的过程中,可以方便进行外壳的设计。 对于走线的设计,除去考虑加工工艺的问题,无线收发模块之间元件走线应尽量避 免环绕,线路距离应尽可能的短,同时双层板涉及到过孔问题,射频电路中过孔过多或 孔径过大都会增加路径电感,从而导致射频信号能量的泄露,因此要尽量减少过孔的数 量。设计完成后如图.所示,图中黑线区域内即为无线收发系统模块的布局 及布线实际效果图。 第章无线手持设置终端总体硬件的设计 图.无线收发系统模块设计图 图中只是展示了顶层布局及布线情况图,详细的完整设计图见第.章节。 ..影晌无线收发系统稳定性及精度的相关参数分析 、晶体的选择对无线收发系统的影响 的晶振振荡器需要一个的并行模式晶振,用于提供给模块作为 基准振荡源使用,芯片内部包含一个全集成的负载电容,其内部的负载兼容是可编程的, 可以通过程序来控制从.到之间,步进值为.,由于布局及布线不 能绝对的消除分布电容,因此晶振是直接影响到无线系统的精准度的,同时分布电容可 能影响到系统振荡器的启动,因此需尽可能选择高精度晶振。 晶体的精度用来表示,表示百万分之多少,值越小,精度就越高, 越高的晶体精度会使得系统频点频率更精准,内部振荡器的偏移更小,用印聊玩,甜 来表示精度值,用五来表示晶体标称频率,则晶体频率的误差鲺可以通过下式来计算: ? 鲺即聊砌,“枣等 通过上式可以看到,晶振的精度越高,则频率误差越小,可以为内部提高的基准振 荡源精度就越高,从而可以提高系统的精度。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 组成的无线收发系统属于半双工通信系统,通信两端在同一时刻分别工作 在发射或接收状态,理论上来讲两端的频率是完全相同的,但是实际上收发两端由于采 用的晶振差异会导致出现频率偏差,根据本系统的设计要求,系统的工作频点矿为 ,假设选定的晶体精度为,根据式.可以得出频率误差馘 为,在频段工作时实际的频率范围可由下式得到: ,。 一杀木厶?馘 ? :坐术?? 、 。 ?. 根据上式可以得到在砌为时频率偏差约为。因此为减少晶振对频率偏 差带来的影响,同一批次的产品应尽量使用同一批次的晶振,同时需要在设计完成后用 高精度频率计来测量晶体。 、天线优化及布局及走线优化以提高系统稳定性 在..章节中对天线的设计进行了详细的分析与阐述,考虑到天线的增益以及效 率和方向性,本系统选择了螺旋天线并给出了对应的天线匹配网络,调试过程中为 了获得更佳的参数,在计算设计的基础上采用了可调电容构成的匹配网络以及漆包线绕 制的天线线圈,但是本系统是为产品化而设计,因此在产品化时,需要将可调的匹配网 络变成固定参数,同时漆包线绕制的天线线圈容易形变,从而导致天线的高度乃、长度 日及直径都发生变化,根据式.和式.,这些参数的变化都直接导致天线参 数的变化,因此需要将天线做钢化处理,考虑到工艺需求,可以从天线生产商处定制。 根据实际测试,晶体的位置、天线馈线与位置对无线收发系统性能的影响 是最大的,晶体应尽可能的靠近的输入脚见图.,以达到最短的线路 带来最小的信号干扰,保证晶体的稳定性,和强引脚与天线馈线同样应尽可能短, 因为系统没有设计使用同轴电缆进行屏蔽,而是直接走线连接。 采用双层设计,对于无线收发模块,项层和底层之间会存在过孔,敏感信号应 该尽量避免过孔,但是在项层和底层之间设计过孔阵列可以更好的提供地连接,使得地 平面之间进行等电位连接,减少地弹,同时可以使得系统整个回路的阻抗减小,也可以 起到一个屏蔽的作用,减少电路本身自激振荡的干扰及作用。 、数据速率的选择以及频偏设计对系统数据误码率的影响 根据系统设计要求,无线手持设置终端主要用于对产品的传感器参数进行设 置,采用的通信数据速率在./,属于低速数据传输,故误码率低, 更适合远距离第章无线手持设置终端总体硬件的设计 传输数据。 对于调频系统,必须要设定一个最合适的频偏。频偏选取比数据速率大,可 避免由信道容量不足引起的误码。由设计的数据速率以及选定的晶振,可以获得设计频 偏灯与基带带宽的大小,假设选定的晶体精度为,根据式?可 以得出频率误差?厶为,根据式.可以得到在晰为.时频率偏差 ?约为,数据速率尺为./,根据下式可以计算频偏?与基带带宽: 竹,心木 ? :牵?木 根据上式可以计算出系统需要设置的频偏与基带带宽参数,频偏竹为.,基带 带宽曰为.,可以在初始化时设置误差最小的参数,这样可以获得最合 适的频偏,从而降低误码率。 . 触摸液晶屏接口设计 根据无线手持设置终端设计要求,选择由南京罗姆液晶显示技术有限公司生产的 型液晶模块,该模块是尺寸为.时彩色液晶显示模块,显示分辨率 为,采用进行控制,外置大小的图形数据空间,由于 具有液晶控制和触摸控制功能,因此通过尽量简单的硬件结构完成驱动与配置。 ..液晶驱动芯片简介 是一个文字与绘图模式的液晶显示.控制器,可结合文字或 图形应用,支持最大到点分辨率的中小尺寸数字或模拟屏。内建内 存支持色的单图层显示,色的双图层显示或者是色、 的单图层显示,若外接内存最高可支持到色的单图层显示。 内建能显示国际标准的.///字型,包含个可显示 大部份使用于英语系和欧洲国家的半型字字母及符号。在图形的使用上,支持 的功能,可用于处理大 的块传输引擎,此兼容于一般通用的 量图形数据转换。内建几何图形加速引擎 ,提供 ? 用户可以透过简单的设定轻松的画出直线、矩形和圆形的几何图形形状。除此之外, 还包括一些强大的图形处理功能,如画面旋转功能、卷动功能、图形、双 层混合显示和文字放大等。 /总线,同时支持也的线或线式触摸屏控制 支持或 器,另外组的脉宽调制可用于调整屏背光或其它应用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ..液晶模块的组成接接口设计 型液晶模块将.时液晶显示面板、触摸屏、驱动芯片、外 部图形数据、数据控制接口及背光驱动集成在一起,其组成机构图如图.所示。 图.液晶模块组成结构图 液晶模块通过数据及控制接口与微控制器所在的底板连接和通信,该液晶模块由 个插针引出了相关的数据口、控制】以及系统供电接口等。直接使用 的口控制数据传输,直接使用位数据传输以获得更高速的传输速度,有利于液晶 显示数据的刷新和界面的快速切换。图.为液晶模块与微控制器接口设计。 至 挂 蕊固. 懑 莲露 董 嚣 器癌 重王 重巷 王 淤受 贮 &诞: 联 羔 粥?馨 劐匿装 、, / 、、 , 醢髫譬。至 .。疆 图.液晶模块与主控制芯片的管脚链接图 图中,、.分别为液晶模块的模拟地与电源接口,~为 第章无线手持设置终端总体硬件的设计 、 、 位数据接口, 、 、 、 和 为液晶的控制信号线, 为背光使能信号线,可以通过软件 控制关闭与打开液晶模块背光,从而可以灵活设计系统节能方 案。 . 接口型实时时钟电路设计 时钟电路用于为设备提供时间显示的扩展功能,为设备应用软件 提供准确的时问参 考,同时由于设备具有可扩展型,如扩展为汽车记录仪等,因此会需要记录时间日期等 相关参数。 , 时钟电路选用飞利浦公司的芯片‘ ,它是具有低功耗的实时时 钟/日历芯片,可以同时提供一个可编程的时钟输出,一个中断输出和掉电检测器,所有 的地址和数据通过总线接口串行传输,其总线晟大的速率达到/,每次读 写数据后,内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。通过微控制器接口可以直接与其 连接进行控制,外部.晶振提供参考时钟源。其接口电路如图.所示。 图.实时时钟电路接口连接图 与共同组成时钟系统外部基准源电路,用于为时钟芯片的晶振信号 进行校准,可以通过高精