輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)的電路設(shè)計

??????? TPMS系統(tǒng)由壓力傳感器模塊和中央接收機組成。壓力傳感器SPl2、微控制器和433 MHz收發(fā)一體射頻IC(nRF401)組成的壓力傳感器模塊,完成輪胎壓力的采集和發(fā)射任務(wù)。

????? 在未來汽車上加裝輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS),也必將和ABS、安全氣囊一樣,是必然的發(fā)展趨勢。輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)全天候?qū)喬ダ锏膲毫M行監(jiān)測,對輪胎的漏氣和低壓、高壓進行報警,使車輛始終處于安全運行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

　　TPMS系統(tǒng)由輪胎壓力傳感器和接收機組成。輪胎壓力傳感器選用MicrochiP公司的PICl6F628A低功耗8位MCU,壓力傳感器選用英飛凌的SPl2,射頻IC選用N0rdic公司的nRF40l。

　　裝在輪胎里的壓力傳感器將輪胎里的壓力、溫度信息傳送給駕駛室里的接收機,讓司機隨時了解輪胎中的氣壓情況,如圖l所示。

　　1.1 射頻電路

　　在圖2所示的射頻信號電路中,采用挪威Nordic,公司的nRF40l器件,該器件是433 MHz ISM頻段的單片UHF無線收發(fā)IC。它采用FSK的調(diào)制解調(diào)技術(shù),其最高工作速率可達20 kb,發(fā)射功率可調(diào),最大達lO dBm。基本技術(shù)指標(biāo)如下：

　　中心載頻點為433.92／434.23 MHz;

　　最大發(fā)射功率為10 dBm

　　工作電壓為2.7~5.25V;

　　接收時消耗電流為250μA,發(fā)射時最大為28 mA,待機電流為8／μA。

　　NRF401的ANTl和ANT2是天線的輸入／輸出復(fù)用腳。在輸入模式時,射頻信號通過將該腳連接到低噪音放大器后解調(diào);同樣,在輸出模式時,調(diào)制的信號在功率放大后,通過該腳輸出。

　　4腳為nRF401的PLL鎖相環(huán)濾波器輸入,該腳正常工作時的電壓是l.lV0.2V。

　　5腳和6腳為壓電晶振控制的外圍電路,此兩腳間接一個Q>45@433 MHz值的22μH電感。

　　7腳和8腳分別為數(shù)據(jù)輸入腳和輸出腳。配合18腳PWR_UP和19腳TXEN上的電位時序完成信息的發(fā)送和接收。圖3是進行數(shù)據(jù)發(fā)射和接收時控制各引腳操作時序圖。

11腳外接射頻功率控制電阻。如圖2中的R3,該值在22~100kΩ之間。一般在30kΩ左右達到7 dBm。

　　1.2 螺旋天線的結(jié)構(gòu)

　　由于天線有不同類型,應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用要求來選擇。本應(yīng)用中,天線位于汽車輪轂內(nèi)。緊靠氣門嘴。在高速行駛中,天線不斷變換方向。為了盡可能擴大接收的角度,選用螺旋天線。

　　螺旋天線的圈數(shù)(N)、直徑(D)和圈距(S)決定了天線的增益和方向性。

　　天線的總長為LN=NLO=Nsqit(S2+C2)這里C=xD是螺旋的園周,Lo=sqrt（S2+C2）是一圈導(dǎo)線的長度。

　　另一個重要參數(shù)是螺旋角α,它是螺旋線切線和螺旋軸垂直平面的夾角。螺旋角的定義為α=tan-1(S／C)螺旋天線有以下2種工作模式。

　?、俪B(tài)模式。在常態(tài)工作模式,天線輻射場在相對于螺旋軸的法線平面有極大值。對于該模式：NLo〈〈λ。

　?、谳S向(端射)模式。這種工作模式只有一個主瓣,它的最大輻射強度沿著螺旋軸,副辦與軸間有一個傾斜角度。為激勵這種模式,其直徑D和空間3必須是波長的一個大分?jǐn)?shù)。

　　1.3 傳感器電路

　　SPl2是英飛凌公司的輪胎壓力傳感器IC,如圖4所示,通過MEMS技術(shù)集成了壓力和溫度、加速度、電壓的檢測電路,直接以數(shù)字形式輸出各物理量的示值,與外圍采用SPI協(xié)議進行交互。

　　同時內(nèi)部有兩個時鐘信號,WAKEUP和RESET。WAKEUP每6s輸出一個脈沖信號,RESET每隔約54min輸出一個脈沖信號,低電子有效。

　　1.4 系統(tǒng)功耗

　　由于要求TPMS系統(tǒng)整體靜態(tài)電流小于20μA,所以保證選用的器件必須是低功耗或超低功耗的芯片。PICl6F628A的靜態(tài)電流為0.lμA,傳感器SPl2的靜態(tài)電流為O.6μA,射頻NRF401的待機電流為8μA。

　　經(jīng)過實測,靜態(tài)功耗Ist=Ist_mcu+Ist_sensor+ist_rf+Ist_cap=15μA。Ist_cap為鉭電容的泄露電流。動態(tài)功耗在射頻處于連續(xù)發(fā)射的情況下,經(jīng)實測為25mA(最大值。

2 軟件設(shè)計

　　2.1 軟件總體設(shè)計

　　軟件總體分為4個運行模式：調(diào)試模式(工廠診斷用)、初始化模式、睡眠模式(休眠)和測量模式。

　　(1)調(diào)試模式

　　主要執(zhí)行產(chǎn)品出廠的一些內(nèi)部測試和診斷功能。體包括傳感器測試和射頻測試兩部分。

　　(2)初始化模式

　　接收主機給定的ID碼和級別判定閥值。

　?。?）睡眠模式

　　以最低的功耗運行,響應(yīng)系統(tǒng)的運行要求。

　　（4）測量模式

　　測量模式主要完成以下功能：

　?、俣〞r測量輪胎壓力、溫度;

　?、趬毫υ诓煌墑e區(qū)域內(nèi)有報警時,同一個級別只上報一次;

　?、蹓毫o變化,固定間隔時間段上報一次壓力、溫度;

　?、鼙ＷC系統(tǒng)可靠性．系統(tǒng)每隔約l小時復(fù)位一次。

　?、莶煌墑e報警同時出現(xiàn),則以高溫、高壓、低壓級別的優(yōu)先級報警。

　　它們的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5所示。

　　系統(tǒng)上電復(fù)位的工作流程圖如圖6所示。

　　2.2 傳感器數(shù)據(jù)的處理

　　SP12是壓力傳感的IC,內(nèi)部直接處理得到的數(shù)字量,只需通過SPI物理接口,向它發(fā)送對應(yīng)的命令字和指令,就可以得到當(dāng)前輪胎的壓力、溫度、加速度等值。由于PICl6F628A無SPI模塊,這里可通過軟件來模擬SPI驅(qū)動。達到與SP12通信的目的。

　　2.3 射頻數(shù)據(jù)的處理

　　為了保證在惡劣的環(huán)境下收發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性,以及根據(jù)本應(yīng)用信息量小,數(shù)據(jù)簡單的特點,采用信息冗余的方法來保證數(shù)據(jù)可靠地接收,即連續(xù)發(fā)送相同內(nèi)容的信息。

　　數(shù)據(jù)的發(fā)送處理采用MCU內(nèi)部的USART模塊。

　　數(shù)據(jù)幀格式為前導(dǎo)符+同步字符+ID碼+壓力+溫度+報警位+校驗碼。

　　數(shù)據(jù)的接收處理,nRF40l在接收模式下,DOUT腳有連續(xù)的隨機信號輸入,如何高效地在字節(jié)流中篩選出發(fā)送的信息呢?這里,因為發(fā)送格式是固定的,故采用在中斷處理過程中用有限狀態(tài)機的方式來處理。

結(jié) 語

　　該TPMS系統(tǒng)具有體積小,成本低,雙向金時的特點,得到廣泛的應(yīng)用。對于擁有幾千萬輛汽車的國內(nèi),將具有非常廣闊的市場前景。這將掀起新一輪汽車壓力傳感器應(yīng)用的高潮。