采用低頻配置的新型胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李艷華，肖文光

采用低頻配置的新型胎壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

*李艷華1，肖文光2

(1.安徽工商職業(yè)學(xué)院電子信息系，安徽，合肥 230041；2.華東電子工程研究所汽車電子工程中心，安徽，合肥 230088)

在分析胎壓監(jiān)測系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上闡述了手動配置輪胎壓力傳感器的不足，表現(xiàn)為氣壓降低、反復(fù)充氣、效率低等方面。采用高、低頻通信技術(shù)，設(shè)計實現(xiàn)了一種新的直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用胎壓專用傳感器SP37和雙模無線接收器MC33596分別完成輪胎內(nèi)部信息的檢測、發(fā)送和接收，通過低頻觸發(fā)實現(xiàn)各輪胎傳感器ID的一鍵自動配置，軟件上采用動態(tài)隨機延時算法和節(jié)能策略，降低了多個傳感器發(fā)生連續(xù)數(shù)據(jù)沖突的概率，延長了系統(tǒng)使用壽命。實際測試表明，該系統(tǒng)安裝配置操作方便，跑車接收成功率可達到90%以上，具有很好的市場應(yīng)用前景。

低頻；TPMS；SP37；MC33596；壓力

0 引言

在汽車高速行駛過程中，輪胎故障（特別是爆胎）由于其有偶然性和不可預(yù)見性往往令駕駛者猝不及防，這也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計，我國高速公路上發(fā)生的交通事故中有70%是由爆胎引起的，而美國這一比例更高達80%[1]。美國汽車工程師協(xié)會的調(diào)查統(tǒng)計表明，美國每年有26萬起交通事故是由于輪胎氣壓低或滲漏造成的。因此，美國運輸部國家公路交通安全管理委員會早在2003年就出臺法規(guī)規(guī)定：至2006年10月，美國新出廠的輕型汽車將逐步引入汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)[2]。我國也于2011年7月頒布實施了《基于胎壓監(jiān)測模塊的汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)》的國家標(biāo)準(zhǔn)。為預(yù)防爆胎，實現(xiàn)主動性安全保障，汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(Tyre Pressure Monitoring System，TPMS)正逐漸被消費者所認(rèn)可，并已成為保障車輛行駛安全的必要安全裝置。

汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)簡稱“TPMS”，按照工作原理的不同，TPMS可分為間接式TPMS和直接式TPMS兩種。由于間接式TPMS存在容易發(fā)生誤報警、故障點定位困難、報警響應(yīng)慢等難以克服的發(fā)展瓶頸[3]，直接式TPMS已成為各大公司、科研院所主要的研發(fā)方向。直接式TPMS是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎內(nèi)的氣壓、溫度等數(shù)據(jù)信息，然后通過無線發(fā)射器將這些數(shù)據(jù)從輪胎內(nèi)部發(fā)送給中央接收器模塊進行顯示、報警。目前國外研發(fā)TPMS的公司主要有Schrader、Beru、李爾等，并在沃爾沃、路虎等高端車型實現(xiàn)了標(biāo)配。國內(nèi)企業(yè)（例如泰好、駛安特）起步較晚，產(chǎn)品多面向后裝低端市場。

通常一套直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)包括4個輪胎壓力傳感器和1個胎壓控制器。在將輪胎壓力傳感器安裝在輪輞上以后需要將各傳感器全球唯一的ID號分別發(fā)送給胎壓控制器，胎壓控制器通過該ID號來判斷接收到的是哪個輪胎的數(shù)據(jù)。有的廠家出廠前將各傳感器的ID號事先配好并貼上指示標(biāo)簽，客戶只需要按照標(biāo)簽指示將傳感器模塊安裝到對應(yīng)的輪輞即可。但這種方式在汽車維修時容易搞混，使用起來不方便。也有胎壓產(chǎn)品通過安裝后快放氣的方式來配置傳感器ID，這種方式配置靈活性大大提高，但是存在不停放氣充氣的缺點。本設(shè)計提出一種新的配置方式：低頻配置。這種方式借助于傳感器內(nèi)部設(shè)計的低頻接收電路和一個手持低頻發(fā)射器，使用時將手持低頻發(fā)射器對著待配置的傳感器發(fā)送一次“配置”命令，即可實現(xiàn)自動配置。與前兩種配置方式相比，采用低頻配置方式不需要頻繁充放氣，也不需要記各輪胎原來的安裝位置，車主可以根據(jù)需要自由調(diào)換輪胎，更靈活自主，更省力方便。本文選用英飛凌高集成復(fù)合芯片SP37和飛思卡爾MC33596分別作為胎壓傳感器和射頻接收芯片，設(shè)計完成了一種低頻配置型胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。該方案已在產(chǎn)品設(shè)計中得到應(yīng)用，正在逐步推向市場，實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。

1 系統(tǒng)描述

低頻配置型胎壓監(jiān)測系統(tǒng)由4個輪胎壓力傳感器和1個胎壓控制器組成，如圖1所示。系統(tǒng)工作原理如下：在汽車左前輪、右前輪、左后輪和右后輪的車輪輪輞上分別安裝一個輪胎壓力傳感器，然后用手持低頻發(fā)射器分別對準(zhǔn)各傳感器發(fā)送配置命令，傳感器接收到配置命令即被喚醒并立即發(fā)射帶有自身ID號的配置數(shù)據(jù)幀，胎壓控制器接收到該數(shù)據(jù)幀后提取ID信息并存入內(nèi)部存儲器，配置成功顯示屏?xí)袌缶崾尽Ｋ膫€輪胎的ID號配置完成后，胎壓控制器重新上電后自動顯示接收到的各輪胎內(nèi)部的壓力、溫度數(shù)值。當(dāng)某一個輪胎的壓力值或溫度值變化超過了預(yù)設(shè)報警閥值，胎壓控制器根據(jù)報警數(shù)據(jù)幀中ID號準(zhǔn)確判別輪胎的位置，并且持續(xù)發(fā)出圖形、聲音報警。只有當(dāng)壓力值或溫度值恢復(fù)正常，報警才會自動解除。

圖1 胎壓監(jiān)測系統(tǒng)組成圖

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

該胎壓監(jiān)測系統(tǒng)主要包括兩種硬件模塊：輪胎壓力傳感器和胎壓控制器。目前市場上輪胎壓力傳感器的硬件方案較多采用以下方案：電池+內(nèi)部集成MCU的傳感器+射頻芯片+天線。這種方案由于集成度低、體積大而被市場逐漸淘汰。隨著半導(dǎo)體及硅微機械加工技術(shù)的快速發(fā)展，一種新的設(shè)計方案即電池+內(nèi)部集成MCU和RF的專用傳感器+天線正成為TPMS發(fā)射模塊設(shè)計的主流。這種方案集成度更高，體積和功耗更小，使用壽命更長，產(chǎn)品競爭力也更強。發(fā)射天線直接采用氣門嘴作為天線，可以有效降低輪胎和輪轂對無線信號的屏蔽效應(yīng)，提高發(fā)射功率。本設(shè)計中TPMS系統(tǒng)硬件模塊框圖如圖2所示，輪胎壓力傳感器由鋰錳電池、低頻接收天線和集傳感器、單片機和RF發(fā)射單元于一體的SP37組成，外圍器件少，重量輕。胎壓控制器則采用了多頻段雙模芯片MC33596作為無線接收芯片，由汽車級8位單片機STM8AL3L68控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示和報警，車載電源供電。由于頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）信號調(diào)制模式具有抗噪聲與抗衰減性能好的優(yōu)點[4]，所以本設(shè)計中高頻發(fā)射前端與接收前端均選擇FSK調(diào)制模式，無線信號調(diào)制中心頻率為315 MHz，符合北美產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

(a) 輪胎壓力傳感器 (b) 胎壓控制器

2.1 SP37應(yīng)用設(shè)計

由于輪胎壓力傳感器安裝在輪胎內(nèi)部，考慮到防水、振動等因素還必須用耐高溫膠將電路板密封，基本上不具有二次維修的可能，再加上是采用能量有限的鋰電池供電，一般要求其具有5年以上的使用壽命，這就要求壓力傳感器需具有以下特性：

1)集成度高，外圍器件盡可能少，便于進行可靠性設(shè)計；

2)最小可工作電壓低，功耗低，可設(shè)定多種工作模式，便于根據(jù)具體工作狀態(tài)進行功耗管理；

3)能在-40 ℃~125 ℃范圍內(nèi)寬溫工作。

根據(jù)以上特點，并經(jīng)過分析比較，我們最終選用了高集成度傳感器SP37。SP37是英飛凌公司最新推出的系統(tǒng)級芯片，內(nèi)部集成了壓力/溫度/加速度傳感器模組、MCU模組以及RF發(fā)射模組，采用常見的8051內(nèi)核，用C語言在常用的Keil環(huán)境下即可開發(fā)。SP37支持300 MHz~450 MHz范圍內(nèi)雙模調(diào)制，發(fā)射中心頻點有315 MHz和433.92 MHz可選，發(fā)射功率最大5 dBm或8 dBm（50 Ω負(fù)載）可調(diào)，可滿足不同系統(tǒng)功率的要求。此外，SP37工作溫度范圍為-40 ℃~125 ℃，休眠電流只有0.6 μA，最低1.9 V工作，滿足壓力傳感器寬溫、低功耗和低工作電壓的要求[5]。

圖3 SP37應(yīng)用電路圖

2.2 MC33596應(yīng)用設(shè)計

由于胎壓控制器安裝于車廂內(nèi)中控臺上，從輪胎氣門嘴發(fā)射的無線信號在傳輸過程中會受到金屬車身以及汽車內(nèi)車身控制器、電子儀表、發(fā)動機等諸多電子設(shè)備的電磁干擾，因此高靈敏度是選擇無線接收芯片時最重要的指標(biāo)。此外，與ASK（Amplitude-Shift-Keyed，ASK）調(diào)制模式的接收芯片相比，F(xiàn)SK調(diào)制模式的接收芯片具有更好的抗干擾能力。通過比較分析，我們最終選用飛思卡爾公司的高集成接收芯片MC33596來完成胎壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠接收，其應(yīng)用電路如圖4所示。MC33596支持ASK和FSK兩種信號調(diào)制模式，在2.4 kbps接收數(shù)據(jù)速率時FSK接收靈敏度可達到-108 dBm，調(diào)制頻率范圍300 MHz~915 MHz，內(nèi)部集成了低噪聲放大器、混頻器、可編程鎖相環(huán)、中頻放大器、信號強度指示電路以及數(shù)據(jù)管理模塊，只需少量的外部器件即可構(gòu)成胎壓接收器的射頻前端[6]。

MC33596外圍電路主要由輸入匹配電路、晶振電路、電源去耦電路和單片機接口電路四部分組成。輸入匹配電路采用了常用的π型阻抗匹配電路，由電感L1、電容C5和電容C6組成。本設(shè)計所用天線阻抗為標(biāo)準(zhǔn)50 Ω，而MC33596的射頻輸入阻抗為300 Ω，根據(jù)斯密斯圓圖和實際調(diào)試，電感L1為56 nH，電容C5和電容C6均為5.0 pF時匹配最佳，接收靈敏度最高。MC33596工作時內(nèi)部所有的時鐘均來自外部晶振提供的參考時鐘，外部晶振頻率的選擇與調(diào)制中心頻率有關(guān)。例如中心頻率為315 MHz時，晶振G1頻率為17.58140 MHz；中心頻率為433.92 MHz時，晶振G1頻率為24.19066 MHz。C11為晶振負(fù)載電容，調(diào)整該電容值可修正頻偏。為抑制噪音，提高可靠性，為MC33596各電源引腳均配置了0.1 uF去耦電容。MC33596與單片機接口電路包括SPI串口（SEB、SCLK、MOSI、MISO）、選通控制信號STROBE、配置模式控制信號CONFB以及信號強度控制輸入信號RSSIC。任何時候當(dāng)控制信號CONFB為低電平，MC33596即進入配置模式，MCU為主機，MC33596為從機，MCU通過SPI串口對MC33596內(nèi)部寄存器進行配置，具體包括射頻信號頻率選擇、信號調(diào)制方式設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)置、信號前導(dǎo)碼設(shè)置、場強測試模塊使能等操作。當(dāng)CONFB為高電平，STROBE也為高電平，MC33596即進入接收模式，開始自動完成接收數(shù)據(jù)的解調(diào)、編碼、存儲和向MCU的發(fā)送工作。此時與配置模式相反，MC33596變?yōu)镾PI通信的主機，MCU變?yōu)閺臋C，并等待SPI串口中斷接收數(shù)據(jù)。RSSIC用于對射頻信號強度采樣模式的控制，當(dāng)RSSIC電平處于下降沿時，信號強度采樣為單點模式，RSSI寄存器將保持該采樣點的信號強度；當(dāng)RSSIC保持高電平時，信號強度采樣為連續(xù)模式，RSSI寄存器的值將隨著連續(xù)采樣而被不斷更新。

圖4 MC33596應(yīng)用電路圖

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

在直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)中，輪胎壓力傳感器是發(fā)射模塊，胎壓控制器是接收模塊。系統(tǒng)軟件的設(shè)計包括發(fā)射模塊軟件設(shè)計和接收模塊軟件設(shè)計。

3.1 發(fā)射模塊軟件設(shè)計

發(fā)射模塊軟件設(shè)計有兩個關(guān)鍵問題需要解決，即數(shù)據(jù)沖突和節(jié)能策略，下面予以著重闡述。

①數(shù)據(jù)沖突

②節(jié)能策略

采用電池供電是直接式TPMS發(fā)展的一個瓶頸。目前關(guān)于TPMS無源化（即無電池）的研究已引起業(yè)界廣泛重視。無源化實現(xiàn)方案主要有壓電發(fā)電方案[8-9]、無線充電方案和聲表面波無源方案[10]三種，但可靠性距成熟的市場應(yīng)用都還有相當(dāng)長的距離。雖然輪胎壓力傳感器采用電池供電壽命有限，但只要采取合適的節(jié)能策略，5年以上的工作壽命還是可以實現(xiàn)的。根據(jù)SP37的數(shù)據(jù)手冊可知，射頻發(fā)送數(shù)據(jù)幀時耗電最大，因此在保證數(shù)據(jù)傳輸正確的前提下應(yīng)盡量減少發(fā)送次數(shù)。SP37內(nèi)部有加速度傳感器，可監(jiān)測汽車是運動還是靜止。汽車正常行駛時，發(fā)射模塊首先檢測壓力、溫度采集數(shù)據(jù)，并把測量的數(shù)據(jù)與設(shè)定閥值相比較，如果超過或低于設(shè)定值說明有異常報警，就立刻啟動基于素數(shù)延時并發(fā)送數(shù)據(jù)，反之則計數(shù)器counter減1，我們采取測量100次（平均值45秒）上傳一次數(shù)據(jù)。此外，如果傳感器檢測到輪胎靜止超過1小時，則會自動進入休眠模式，即不再發(fā)送數(shù)據(jù)，直到被加速度信號喚醒。這樣的設(shè)計思想既能降低功耗又能及時應(yīng)對輪胎壓力和溫度的異常變化，數(shù)據(jù)包發(fā)送流程如圖5所示。

圖5 發(fā)射模塊軟件流程

3.2 接收模塊軟件設(shè)計

通過外部按鍵控制，接收模塊有配置模式和正常工作兩種狀態(tài)。配置模式下，通過低頻觸發(fā)傳感器發(fā)送配置數(shù)據(jù)幀，接收模塊成功接收后將該傳感器的ID號寫入內(nèi)部存儲器完成該輪胎的配置。重新上電后，接收模塊自動進入正常工作狀態(tài)。先進行自檢，如果自檢失敗則返回，成功則進入接收模式。對輪胎壓力傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)進行CRC檢驗，采用握手協(xié)議進行檢測，不成功則會丟棄數(shù)據(jù)幀，重新進入接收模式再次進行CRC檢測，檢測成功后根據(jù)狀態(tài)信息對壓力、溫度進行相應(yīng)處理。如果是報警數(shù)據(jù)幀則更新顯示數(shù)據(jù)，同時啟動圖形、聲音報警。如果是正常數(shù)據(jù)幀，則只對顯示數(shù)據(jù)進行更新。數(shù)據(jù)包接收流程如圖6所示。

圖6 接收模塊軟件流程

接收模式下，單片機是采用SPI中斷的方式完成射頻數(shù)據(jù)的接收，SPI中斷服務(wù)程序代碼描述如下：

void SPI_Int(void) interrupt 5

{

SPSTAT = 0xC0; // 清中斷標(biāo)志

if( 0 == Tire_Config_Normal ) //接收模式

{

SPI_Norm_Store( SPDAT ); //數(shù)據(jù)存儲、顯示、報警

}

else if( 1 == Tire_Config_Normal ) //配置模式

{

SPI_Config_STORE( SPDAT );

}

}

4 性能測試

將編號分別為B001、B002、B003的胎壓控制器放在同輛汽車中進行了路試試驗，每20分鐘記錄一次3個控制器接收到的各輪胎總幀數(shù)（如48/49/48/47分別表示左前輪、右前輪、左后輪和右后輪共收到的有效數(shù)據(jù)幀數(shù)），對接收成功率和一致性進行了驗證，部分試驗數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 試驗結(jié)果

根據(jù)發(fā)射周期，20分鐘間隔平均約接收48幀。由于接收計時與發(fā)射模塊不同步，讀數(shù)時存在1到2幀的誤差。從測試記錄看，接收成功率均大于90%，接收效果基本一致。本設(shè)計方案已在產(chǎn)品設(shè)計上得到應(yīng)用，經(jīng)反復(fù)測試具體性能指標(biāo)如下：

可監(jiān)測輪胎壓力范圍為1~4.5 Bar，分辨率25 mBar，通常轎車的輪胎氣壓安全值在2.2 Bar~2.8 Bar之間；

可監(jiān)測輪胎溫度范圍：-40 ℃~125 ℃，分辨率2 ℃，轎車的輪胎溫度安全值一般在75 ℃左右；

輪胎壓力傳感器發(fā)射功率用頻譜分析儀測得在8 dBm左右，用信號發(fā)生器測試胎壓控制器接收靈敏度在-100 dBm左右；

采用500 mAh的耐高溫鋰錳電池，若每天正常行車不超過12 h，則輪胎壓力傳感器可有效工作5年以上。

5 結(jié)束語

汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測輪胎內(nèi)部壓力和溫度情況，對于氣壓低、氣壓高以及溫度高等異常情況能及時報警，保障行車安全。本文從改進產(chǎn)品設(shè)計的角度出發(fā)，選用集成化傳感器SP37和高靈敏度MC33596設(shè)計實現(xiàn)了一種帶低頻配置功能的直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。在實際測試中，系統(tǒng)配置方便快捷，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低。但由于輪胎傳感器采用電池供電，直接式TPMS也面臨著工作壽命有限的發(fā)展瓶頸。相信隨著壓電、電磁耦合以及聲表波等輪胎內(nèi)發(fā)電方案研究的深入，無源化TPMS會早日實現(xiàn)成熟應(yīng)用。

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DESIGN OF A NEW TIRE PRESSURE MONITORING SYSTEM CONFIGURED BY LOW-FREQUENCY TECHNOLOGY

*LI Yan-hua1, XIAO Wen-guang2

(1. Department of Electronics Information, Anhui Business Vocation College, Hefei, Anhui 230041, China;2. Automobile Electronic Engineering Centre, EAST China Research Institute of Electronic Engineering, Hefei, Anhui 230088, China)

According to the working principle of tire pressure monitoring system, the lack of manual configuration is elaborated for tire pressure reduced, repeatedly inflated, low efficiency, etc. A kind of new direct tire pressure monitoring system is designed and implemented by using high and low frequency communication technology. In the system, the internal information of tires is detected, transmitted and received by dedicated sensor SP37 and wireless receiver MC33596. The tire sensor ID is automatically configured by low-frequency trigger. In the software design, the dynamic delay algorithm and the energy saving policy not only reduce the probability of continuous data conflict among sensors, but also extend the system life. The actual test result shows that the system can be installed and configured conveniently with high reception success rate up to more than 90% and good market prospects.

low frequency; TPMS; SP37; MC33596; pressure

O159.1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.04.011

1674-8085(2013)04-0052-06

2012-12-22；

2013-03-27

*李艷華(1982-)，女，山東菏澤人，講師，碩士，主要從事嵌入式技術(shù)研究與應(yīng)用研究(E-mail: yanhua106@163.com);

肖文光(1980-)，男，山東菏澤人，工程師，碩士，主要從事汽車電子技術(shù)的研究與開發(fā)(E-mail: xwgb711@163.com).