胎压监测系统电源节能方案 |
【摘 要】：睡眠和看门狗是在很多单片机应用领域都广泛采用的节约功耗的方法。本文首先介绍胎压报警系统的总体监控流程和系统的应用前景，分胎压监控流程对电源能耗的严重影响减少了装置的使用寿命，并提出使用睡眠功能和看门狗定时的方法。
关键词：胎压监测系统 睡眠 看门狗
0 引 言
近些年来，随着汽车工业的迅速发展，汽车电子与日常工作和生活紧密相关。汽车厂商和小型轿车消费者对行驶的安全性越来越重视。但目前，对于厂车胎气压的定期检查，还没有引起充分的考虑。胎压报警系统的研制就是为了解决这样的隐患而专门设计的。在胎压的检测过程中，由于电池的容量非常有限，如果让单片机和发射接收芯片一直不停地工作，则报警系统可能工作一两个月就会耗尽电池而停止工作。针对这一问题，研究设计使用某单片机的睡眠功能和看门狗，来让系统在正常状态下进行休眠，处于省电状态，休眠的时间由看门狗的时间常数来设定。本文首先介绍胎压报警系统工作过程的复杂性，描述器件长期工作的费电性，分析加入睡眠功能和看门狗的方法。最后，本文利用数据分析了系统程序优化之后的节能性。
1 胎压报警系统的总体监控流程
TPMS，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。
目前，TRMS主要分为两种类型：一种是Wheel-Speed Based TPMS（简称：WSB TPMS，或称为间接式TPMS），这种系统是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的，该类型系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100km／h的情况进行判断。
胎压监测系统（TPMS）显然是纽扣电池在汽车工业的一个重要的新兴市场。由于一些SUV（Sports Utility Vehicle，运动型多功能车）存在严重的胎压问题，美国国家公路交通安全管理局（NHT-SA）正在最后敲定法规，要求所有车辆装备TPMS，以便能对轮胎压力过低或过高做出预先报警、极大地减少事故发生。TPMS在不久的将来将会成为标配安装在各型汽车中。
在TPMS应用中，直接监测系统在每个车轮安装一个小发射器和压力监测器。发射器向车辆仪表板的电脑显示器发送信号，驾车人可以随时了解胎压情况。
该系统的接收器／显示器被安装在驾车人看得到的地方。在驾车的第一分钟内，该系统的传感器向车内的接收器发送一个信号，确认它们工作正常。接收器／显示器使用12V电源，可以从点烟器取电，或者直接连接到带按键的电源电路。
基本显示系统可以监测4个轮胎，在车辆行驶时提供胎压亏损预警。小型接收器／显示器很容易安装在仪表板、风挡玻璃或中央控制台上。
接收器不需要编程，只要插上电源线就进入工作状态。基本显示系统通过色标识别每个轮胎（色标传感器／发射器被固定在每个车轮，相应的色标“垫圈”被固定在轮胎气门）。
如果轮胎气压下降到151kPa，显示器上的红色发光二极管就会亮起，指示问题轮胎。如果气压继续下降到124kPa，二级报警将激活声音报警，红色发光二极管将闪烁。
图1为胎压报警系统的总体监控流程。
2 电源能耗的严重
因为发射器完全暴露在外界环境，所以它的纽扣电池电源必须经得住夏日的高温和冬日的低温。除极端温度外，电池还必须经得住轮胎转动产生的高热及剧烈的运动。
锂锰电池ERl4250和CRl4250HR-EX电池等产品已按标准设计，包括工作温度－40～150℃，尺寸为15mm×25mm。这些电池之所以能符合这些标准，是因为使用了专门开发的垫圈材料、专利电池结构和活性材料与电解液的新组合。
3.6V电池的容量为1200mAh，而应用程序的总容量为670words，发射芯片在发射状态下的功耗为8mA单片机在输入输出数据时的功耗为25mA。若不采取节电措施，让单片机每天24h都工作着，那么这样的纽扣电池最多只能用几个月。在车辆正常使用情况下电池寿命很难达到2a以上。
所以为了延长电池的寿命，增加系统的工作周期，可以用软件设置单片机的睡眠状态，使得在胎压正常的情况下，单片机和发射芯片处于节电状态，即睡眠状态，而只在高压、低压的报警状态工作和收发数据。这样，增设睡眠和看门狗能够提高系统的稳定性和使用周期，使胎压报警装置的整体性能得到提高。
3 睡眠功能和看门狗定时的设定
3.1
3.2 程序编写
switch（press_state）
{
case S NORMAL：
send normal data（dt）；
asm（"clrwdt"）；
／／此段程序即为看门狗程序的一部分应用
while（c! ＝0）
{
C--；
asm（"sleep"）；
}
break；
case S ALARM： ／／报警
send alarm data（dt）；
default：
break；
} ／／end switch
3.3 电源功耗计算
（1）加睡眠程序之后，单片机系统的功耗
（2）发射芯片的功耗
Ptr=8mA； Pre=250μA；
发射电流为8mA，按照程序中的流程，则每发送一次数据需要花费4s，而为了保证可靠接收需要连发32次。所以每报警一次需要的功耗为：8mA•4•32s＝1024／3600＝0.284mAh；
（3）总功耗按照每一个月每个轮胎报警10次，则每个月的发射功耗为0.284mAh•40＝11.36mAh；则一年的功耗为11.36•12＝136.32mAh；
单片机一年的功耗为0.7539mAh•365＝275.18mAh；
系统的一年总功耗为：136.32mAh＋275.18mAh＝411.5mAh；
（4）电池的寿命
1200mAh÷411.5mAh／a＝2.916a
4 结 论
根据程序所占的空间和发射功率的计算，以及单片机的I／O引脚以及A／D的功耗计算，当给主程序加上睡眠功能和看门狗定时以后，系统的寿命为将近3a。 |
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