直接式胎壓監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

【摘要】汽車輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)（TPMS），主要用于在汽車行駛時實(shí)時地對輪胎氣壓進(jìn)行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報警，本文設(shè)計了一種基于MPXY8020A傳感器、無線發(fā)射芯片MC33493的直接式胎壓監(jiān)控系統(tǒng)，給出了硬件電路，該系統(tǒng)符合NHTSA 輪胎壓力監(jiān)測裝置標(biāo)準(zhǔn)，在交通安全方面有較好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】胎壓監(jiān)控；MPXY8020；RF發(fā)射與接收器；M68HC908RF2

1、引言

據(jù)美國汽車工程師協(xié)會（Society of Automotive Engi2neers： SAE）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故障造成的，而75%的輪胎故障是由于輪胎壓力不足或滲漏引起的[1]。在中國高速公路上發(fā)生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美國這一比例則高達(dá)80%。如何防止爆胎已成為車輛安全防范的一個重要課題。

根據(jù)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)測中心分析，保持在正常的輪胎內(nèi)壓力（ 簡稱胎壓） 和胎內(nèi)溫度（簡稱胎溫）下行駛是防止車輛爆胎的關(guān)鍵。輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)TPMS（Tire Pressure Monitoring System）可實(shí)時監(jiān)控胎內(nèi)的壓力和溫度信息，為汽車的安全行駛提供保障。

2、TPMS工作原理

本文設(shè)計了一種直接式TPMS，由遠(yuǎn)程輪胎壓監(jiān)視模塊RTPM（Remote Tire ressure Monitoring）和車載接收模塊組成，RTPM模塊直接安裝在無內(nèi)胎輪胎鋼轂上，測量輪胎壓力和溫度，并將測量得到的信號通過高頻無線電波（RF）發(fā)射出去。一個TPMS系統(tǒng)通常有4個或5個（包括備用胎）RTPM模塊。車載接收模塊接收RTPM 模塊發(fā)射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，在異常時報警提醒駕駛者采取必要的措施。

2.1RTPM模塊工作原理

RTPM模塊主要由壓力/溫度傳感器、微處理器和RF射頻發(fā)射電路組成。微處理器進(jìn)行壓力、溫度的測量以及RF發(fā)射控制和電源管理；RF射頻發(fā)射電路將檢測到的壓力、溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)射出去。

2.2車載接收模塊工作原理

車載接收模塊主要由RF接收電路、微處理器、計算機(jī)顯示報警裝置等組成。RF接收電路接收RTPM模塊發(fā)射的壓力、溫度數(shù)據(jù)信號， 識別變換處理后送到計算機(jī)顯示或報警。

3、TPMS系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)視模塊設(shè)計

3.1.1傳感器選擇

壓力/溫度傳感器是整個TPMS系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和發(fā)射是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的決定因素，本系統(tǒng)采用的是MPXY8020A[2]，該器件是Motorola公司為測量汽車胎壓和胎溫而設(shè)計的高度集成芯片能夠測量0～637.5Kpa的胎壓和-40℃～+125℃范圍內(nèi)的胎溫，主要包括硅集成式壓力檢測單元、溫度檢測單元、SPI串行數(shù)據(jù)接口、DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模擬值比較電路及待機(jī)喚醒電路等。MPXY8020A滿足輪胎模塊特殊工作環(huán)境對傳感器的要求。

3.1.2微控制器的選擇

M68HC908RF2是M68HC908家族低功耗，高性能的8位MCU，它內(nèi)部集成68HC908FlashMCU和RF發(fā)送器MC33493。因?yàn)樗鼮榈凸奶貏e優(yōu)化，特別適用于無線傳輸設(shè)計[3]。

3.1.3發(fā)射芯片的選擇

由于M68HC908RF2芯片中集成了發(fā)射芯片MC33493，MC33493是Motorola公司的一款數(shù)據(jù)傳輸用PLL諧的UHF發(fā)射器芯片，頻率為315～434MHz和868～928MHz，具有FSK和OOK調(diào)制。其電源電壓為1.9V～3.6V，符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)。

MPXY8020的S0和S1分別與RF2的PTA2和PTA1連接，PTA口是RF2的一般輸入輸出引腳，可以復(fù)用為外部鍵盤中斷，在此系統(tǒng)中它作為一般IO口，由RF2控制它的工作模式，MPXY8020的DATA和CLK分別與RF2的PTA5和PTA4相連，這兩個引腳是其內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換存儲器的串行接口，其中DATA是數(shù)據(jù)線，CLK是時鐘線。這兩個引腳和許多Freescale 的MCU上的SPI總線兼容。在RF2中沒有SPI總線，我們可以用軟件模擬。當(dāng)使用這兩個引腳時MCU是主設(shè)備，而MPXY8020是從設(shè)備，所以數(shù)據(jù)傳輸僅僅是從控制器到傳感器。

MPXY8020的OUT引腳與RF的PTA3相連。基于不同的工作模式，OUT引腳有4種不同的功能。在輸出模式，OUT與采樣的模擬比較器相連。當(dāng)D/A比較器中的值低于采樣值時，OUT輸出高電平；反之，OUT輸出低電平。MCU通過DATA，CLK和OUT可以準(zhǔn)確確定出測量值。在待機(jī)模式，OUT每隔一段時間輸出一個低電平，這個電平可以喚醒處于停止模式或者等待模式中的MCU。另外在所有模式下，該引腳都有自動防止故障功能，能夠發(fā)出類似復(fù)位引腳輸出的信號。

RF2發(fā)射部分完全由其自身PTB口控制。BAND與PTB0相連用于選擇頻帶，MODE可以用來選擇調(diào)制方式，它與電源相連，故調(diào)制模式是FSK方式。FSK方式抗干擾能力很好，適用于輪胎中的惡劣環(huán)境。選擇不同的晶振和鎖相環(huán)分頻率就可唯一確定系統(tǒng)調(diào)制頻率。

3.2車載接收模塊設(shè)計

3.2.1芯片選擇

微處理器采用Motorola公司的MC68HC908LJ12[4]，射頻接收器采用Motorola公司的MC33594。MC33594是專門為射頻發(fā)射芯片MC33493配套的射頻接收/數(shù)據(jù)解調(diào)芯片，其工作頻帶為314MHz和434 MHz；數(shù)據(jù)速率為1～10.6kbaud（即1～10.6 kb/s）；RF靈敏度為-l05 dBm；中頻帶寬500kHz；MC33594最快喚醒時間為1ms。

MC33594通過SPI總線接口與中央處理模塊通訊，當(dāng)接收模塊被匹配的射頻信號喚醒，MC33594接收前兩個字節(jié)的曼徹斯特編碼，解碼判斷該兩字節(jié)是否為初始化設(shè)置的接收同步碼，如果為同步碼，則向中央處理模塊申請SPI中斷，接收余下字節(jié)，并將余下字節(jié)除冗余校驗(yàn)字節(jié)外的八字節(jié)傳送給中央處理模塊。

MC33594與MC68HC908LJ12通訊是以SPI主方式進(jìn)行通訊，因此通訊的頻率由MC33594控制。

C8和R7的值決定選通振蕩器的周期，取C8，R7值分別為68nF和470kΩ，保證選通振蕩器周期為3.8ms，C19為FSK調(diào)制低通濾波電容，其對應(yīng)數(shù)據(jù)速率的取值范圍如下表1所示：

4、結(jié)論

本文設(shè)計了一種低功耗的直接式TPMS方案，硬件上高度集成的射頻系統(tǒng)級芯片，可降低系統(tǒng)功耗，工作于待機(jī)模式的傳感器芯片增強(qiáng)了系統(tǒng)的模式化管理功能，為軟件的低功耗管理提供了硬件支持。軟件上RTPM子程序采用看門狗中斷喚醒模式以及對非工作環(huán)境和連續(xù)數(shù)次檢測數(shù)據(jù)相同等情況的判斷處理，使得功耗相對較大的傳感器和射頻器件通常處于休眠狀態(tài)，僅工作于毫秒級時間內(nèi)，有效降低了系統(tǒng)功耗，同時保證了電池使用年限。