TPMS中無線接口電路的設計

　　引 言

　　汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)主要用于汽車行駛時對輪胎氣壓進行實時自動監(jiān)測,對輪胎漏氣和低氣壓進行報警,以保障行車安全。就TPMS系統(tǒng)構造而言,其采集的溫度壓力數(shù)據(jù)需要通過一種無線方式進行發(fā)送和接收,而且該收發(fā)電路要安裝在輪胎里。這就必須要求其組成電路的芯片能夠耐高溫。要解決這兩個問題,可以利用Motorola公司研制的發(fā)射芯片MC33493和接收芯片MC33594。該兩款芯片都達到了汽車級溫度(發(fā)射芯片為125℃,接收芯片為105℃)完全可以解決耐高溫的問題,且工作性能極好。它們與單片機一起構成的接口電路成為TPMS系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分。

　　1 TPMS系統(tǒng)總體設計

　　1.1系統(tǒng)工作原理

　　TPMS系統(tǒng)主要由安裝在汽車輪胎內(nèi)的壓力、溫度傳感器,信號處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊,安裝在汽車駕駛臺上的包括數(shù)字信號處理單元的RF接收器以及LCD組成。

　　一般情況下,一輛轎車需要4個TPMS發(fā)射模塊和1個TPMS接收器;而一輛卡車需要6～12個TPMS發(fā)射模塊。為了提高系統(tǒng)的接收能力和抗干擾能力,系統(tǒng)安裝時需要在汽車底盤安裝接收天線。由SP12傳感器、微控制器、MC33493發(fā)射模塊、MC33594接收模塊等主要芯片組成的TPMS系統(tǒng)方案結構框圖如圖1所示。

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　　圖1中,溫度壓力傳感器將采集到的溫度壓力數(shù)據(jù)通過I2C總線或RS232接口送到單片機,單片機發(fā)送一使能信號ENABLE給發(fā)射器。當為高電平時,發(fā)射機開始工作,產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)時鐘信號給單片機,用于信號的同步。此時,單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給發(fā)射機,發(fā)射機將得到的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去。接收機通過天線接收到信號后,首先置RESET引腳(用于設置主從模式)為一低電平,此時微控制器為主機,通過MOSI線來設置作為從機的接收器內(nèi)的寄存器,設置好以后置RESET腳為高電平。此后微控制器為從機,而接收器就變?yōu)橹鳈C。它產(chǎn)生時鐘信號,通過MOSI線將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機。此時單片機(帶有SPI接口)通過SPI接口與PC機實現(xiàn)簡單的連接,以達到在PC機上顯示報警的作用。

　　1.2系統(tǒng)設計的幾點考慮

　?、儆捎赥PMS發(fā)射模塊工作在劇烈振動、環(huán)境溫差變化大和不便于即時檢修的條件下,因此要求所有的器件要有很好的可靠性和穩(wěn)定性,能適應工作在-40～+125℃溫度范圍。為了縮小TPMS發(fā)射模塊的體積、節(jié)省功耗和增強功能,需要盡可能地選用具有多種功能的小型射頻收發(fā)芯片。

　?、陔S著能源問題越來越被重視,系統(tǒng)節(jié)能成為本設計考慮的一個重點問題。為了提高TPMS發(fā)射模塊在一節(jié)鋰電池下的工作時間,應該在大多數(shù)時間內(nèi)讓系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)。喚醒TPMS系統(tǒng)中的發(fā)射部分,可采用這樣一種方法：在傳感器模塊中增加加速度傳感器,利用其對運動的敏感性,實現(xiàn)汽車啟動時自動開機進入系統(tǒng)自檢;汽車高速行駛時按運動速度自動智能確定檢測時間周期,利用軟件設定安全期、敏感期和危險期,以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預警能力。喚醒TPMS系統(tǒng)的接收部分,可以利用接收機的一個引腳STROBE。在一個周期內(nèi),當檢測到有效的ID時,STROBE置高電平,此時接收芯片就由休眠狀態(tài)轉為運行狀態(tài)。

　　2 系統(tǒng)硬件組成及電路設計

　　2. 1 TPMS系統(tǒng)主要硬件組成

　　TPMS系統(tǒng)主要由TPMS傳感器、微控制器和無線射頻收發(fā)模塊幾個部分組成。

　　(1) TPMS傳感器

　　TPMS傳感器是一個集成了半導體壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)字信號處理單元和電源管理器的SoC模塊。為了強化胎壓檢測功能,有不少TPMS傳感器模塊內(nèi)還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內(nèi)部時鐘、看門狗和帶12位ADC、4KB Flash、2KB ROM、128 B RAM、128 BEEPROM及其他功能的ASIC數(shù)字信號處理單元。這些功能單元使得TPMS傳感器不僅能實時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化,而且還能實現(xiàn)汽車移動即時開機、自動喚醒和省電等功能。

　　(2)微控制器

　　這里微控制器采用Atmel公司推出的一種小型單片機89C205l,片內(nèi)含有2KB的Flash程序存儲器和128 B的片內(nèi) RAM。89C2051共20引腳。其中P1口8腳,可以作為一般的準雙向端口,在引腳的驅動能力上,具有很強的下拉能力。工作電壓為2.7～6V。當工作電壓在3V時,電流相當于6V工作時的1/4,空閑時為1mA,掉電時僅為20mA。這樣小的功耗很適合于電池供電的小型控制系統(tǒng)。主要特點為采用Flash存儲器技術,其軟件、硬件與MCS-5l完全兼容。其片內(nèi)程序的電可擦寫特性,使得開發(fā)與試驗比較容易。

　　(3)無線射頻發(fā)射芯片MC33493

　　摩托羅拉的MC33493器件是高溫集成UHF無線電發(fā)送模塊。可進行OOK(On-Off Keying)或者FSK(Frequency Shift Keying)兩種調(diào)制方式。該芯片采用TSSOP-14封裝,工作在300～450 MHz頻段;具有FSK和OOK調(diào)制和解調(diào)能力,抗干擾能力強,適合工業(yè)控制應用;采用PLL頻率合成技術,頻率穩(wěn)定性好;具有較小的發(fā)射功率,最大發(fā)射功率達O.18mW;數(shù)據(jù)速率可達9.6kb/s;1.9～3.6V低工作電壓;功耗低,發(fā)射時電流11.6mA,發(fā)射待機狀態(tài)僅為O.8μA(工作溫度在125℃)。