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隨著(zhù)全球汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)的興起和人們對汽車(chē)安全的信息化、智能化的不斷追求,汽車(chē)胎壓監測系統(TPMS)成為繼安全氣囊和ABS之后的又一新興汽車(chē)安全產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。 目前出現的TPMS主要分為間接式和直接式。間接式TPMS使用ABS輪胎速度傳感器來(lái)測量每一個(gè)輪胎的轉速,從而判斷輪胎壓力,該系統雖然具有不用電池、耐用性強等優(yōu)點(diǎn),但準確性、可靠性差。直接式TPMS系統主要用于汽車(chē)行駛時(shí),能夠適時(shí)地對輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監測,對輪胎漏氣造成低胎壓和高溫高胎壓導致爆胎進(jìn)行預警,確保行車(chē)安全,因此逐漸成為市場(chǎng)主流。本文主要介紹基于MPXY8020傳感器的直接式TPMS系統設計,并對直接式TPMS的設計難點(diǎn)進(jìn)行分析。 TPMS系統框圖及系統工作原理 TPMS系統由數個(gè)發(fā)射模塊和一個(gè)接收模塊組成。圖1為發(fā)射模塊框圖,該發(fā)射模塊安裝在輪胎內,通過(guò)壓力溫度傳感器可以測量該輪胎內氣體的壓力和溫度,發(fā)射端中央處理器負責數據處理,并將發(fā)射機ID號、壓力、溫度等信息組幀后經(jīng)曼徹斯特編碼送到RF發(fā)射電路,最后由RF電路將數據FSK/ASK調制后通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射出去。整個(gè)發(fā)射模塊由一只電池供電。 圖1 發(fā)射模塊 圖2為接收模塊框圖,該接收模塊安裝在駕駛室前端可以方便駕駛員看到的位置。RF接收電路通過(guò)接收天線(xiàn)接收發(fā)射模塊的無(wú)線(xiàn)信號,并將接收到的信號解調、解碼后送給接收端中央處理器,中央處理器處理數據后根據ID號將各個(gè)輪胎的壓力/溫度值顯示在顯示器相應的位置上,使駕駛員可以隨時(shí)了解每個(gè)輪胎的壓力溫度信息,確保行車(chē)安全,如輪胎發(fā)生異常時(shí)接收模塊會(huì )自動(dòng)及時(shí)向駕駛員發(fā)出警報。接收模塊可以用車(chē)載電源|穩壓器或電池。 圖2 接收模塊 基于MPXY8020傳感器的發(fā)射模塊設計 TPMS系統中發(fā)射模塊的設計采用摩托羅拉的MPXY8020和68HC908RF2,前者為電容式壓力和溫度傳感芯片,后者為MCU和RF發(fā)射電路集成芯片。 發(fā)射模塊硬件電路設計 MPXY8020是專(zhuān)用于TPMS系統的多功能、低功耗的傳感芯片,其內部除了壓力和溫度傳感電路外,還具有內部喚醒功能的數字接口電路,如圖3。8020傳感器與MCU的接口有6個(gè)端口：S1和S2是8020的工作模式控制端口,根據MCU對這2個(gè)端口的邏輯狀態(tài)控制不同,8020可以分別工作在低功耗的待機模式、壓力測量模式、溫度測量模式及測量數據輸出模式;DATA和CLK為軟件控制的串行接口,進(jìn)行測量數據的傳輸;OUT端口為復用端口,8020在待機模式下,可以每3s內部自喚醒并通過(guò)OUT端口以中斷方式喚醒MCU。當8020在測量數據輸出模式時(shí),OUT作為內部比較器的邏輯狀態(tài)輸出;RST具有52min復位MCU的功能。 圖3 發(fā)射電路 值得注意的是,8020傳感器的A/D轉換是逐次逼近型的反饋式轉換器,其原理是8020內部具有8位移位寄存器,MCU通過(guò)8020的DATA和CLK端口首先輸入10000000二進(jìn)制數據,將8位寄存器D/A轉換的模擬量與壓力或溫度的真實(shí)測量值進(jìn)行比較,并判斷OUT端口的狀態(tài),如果OUT端口為低,說(shuō)明逼近值大于真實(shí)值,此時(shí)可以確定真實(shí)值最高位為0;如果OUT端口為高,說(shuō)明逼近值小于真實(shí)值,此時(shí)可以確定真實(shí)值最高位為1。依次類(lèi)推從高位向低位可以逐次逐位逼近真實(shí)測量值,這樣MCU可以確定最終的壓力和溫度測量值。 68HC908RF2內部高性能8位處理器主要負責與傳感器的數據傳輸、數據分析處理及與RF發(fā)射電路的數據傳輸與控制。在圖3發(fā)射電路中,PTA1和PTA2作為輸出端口控制8020的工作模式;PTA3和PTA4作為輸出向8020移位輸入測量逼近值;PTA5是復用端,當MCU讀取傳感器的測量值時(shí),PTA5通過(guò)OUT獲取比較器的狀態(tài),當MCU在省電模式時(shí)PTA5作為鍵盤(pán)中斷輸入端口,通過(guò)OUT獲得3s中斷。另外,S1是速度開(kāi)關(guān),當汽車(chē)運行或停止時(shí)S1開(kāi)關(guān)可以導通或閉合,這樣MCU就可以根據車(chē)輛運行狀態(tài)對程序作有效處理。 68HC908RF2內部還集成一個(gè)多頻帶工作的FSK/OOK調制電路,其工作方式由數字控制端(BAND和MODE)的邏輯狀態(tài)決定。BAND為工作頻帶選擇端口,將BAND置高,并選擇晶體振蕩器Y1為13.56MHz,此時(shí)經(jīng)過(guò)32倍頻后產(chǎn)生載波頻率為434MHz的RF信號。MODE為FSK/OOK調制模式選擇端口,將MODE置高,RF電路工作于FSK模式。 68HC908RF2雖將MCU和RF電路集成于一體,但其接口電路仍需要外部連接,如圖3示。PTB1作為輸出控制RF電路的使能端ENABLE;PTB2和PTB3作為串行口與RF電路的RFDATA和DATACLK相連,經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼后的壓力溫度等信息,以二進(jìn)制數據流的方式傳輸給發(fā)射電路, 發(fā)射電路再以FSK方式進(jìn)行發(fā)射。其FSK工作原理較為簡(jiǎn)單,當RFDATA輸入“1”或“0”時(shí),引起CFSK的輸出阻抗的變化,從而切換晶體振蕩器Y1的兩個(gè)負載電容C1和C2,負載電容的改變使晶體振蕩器的諧振頻率發(fā)生很小的偏移,這樣經(jīng)過(guò)倍頻后FSK信號就可以產(chǎn)生。 發(fā)射模塊固件程序設計 發(fā)射模塊的固件程序從功能上來(lái)看較為簡(jiǎn)單,但從系統的可靠性、使用壽命等方面來(lái)考慮,對程序設計的安全性、經(jīng)濟性、有效性等提出很高的要求。特別是依靠1塊500mAh的鋰電池TPMS發(fā)射機要工作8年以上,除了優(yōu)秀的硬件設計外,固件程序對發(fā)射模塊的各個(gè)電路進(jìn)行經(jīng)濟、有效的控制顯得尤為重要。 圖4為簡(jiǎn)單的程序流程圖,考慮省電的問(wèn)題,整個(gè)發(fā)射模塊一般時(shí)間都處于省電模式。當MPXY80203s中斷喚醒MCU后,MCU立即控制8020進(jìn)行壓力溫度檢測并獲得壓力溫度測量值,MCU再對測量數據進(jìn)行判斷,看輪胎壓力及溫度是否處于正常狀態(tài)：如果胎壓、溫度正常,再判斷定時(shí)發(fā)送數據的時(shí)間,如果定時(shí)時(shí)間沒(méi)有到就進(jìn)入省電模式,定時(shí)時(shí)間到,則進(jìn)行組幀、曼徹斯特編碼、發(fā)送RF數據,最后再進(jìn)入省電模式。相反,如果胎壓、溫度異常就直接進(jìn)入發(fā)送數據的程序。 圖4 發(fā)射流程圖 接收模塊設計 本系統接收機采用摩托羅拉的接收芯片MC33594和中央處理器68HC908GT16,顯示器采用液晶顯示屏|顯示器件。 接收模塊硬件電路設計 MC33594是一個(gè)具有自動(dòng)增益控制的高靈敏度的OOK/FSK解調芯片,內部包括混頻、中頻放大、鎖相環(huán)、解調、數據管理及SPI接口等電路。MCU可以通過(guò)SPI接口對MC33594的內部寄存器進(jìn)行配置,從而設置該接收芯片的調制類(lèi)型、數據接收碼速率、RF載波頻率等信息。圖5為T(mén)PMS接收電路,MC33594通過(guò)接收天線(xiàn)接收發(fā)射機發(fā)射的RF信號,將RF信號解調后通過(guò)SPI接口以中斷方式傳輸給68HC908GT16(MCU),MCU負責處理數據、顯示數據,并在必要時(shí)啟動(dòng)報警電路。 圖5 接收電路 接收模塊固件程序設計 接收程序與發(fā)射程序類(lèi)似,雖然功能簡(jiǎn)單,但從可靠性來(lái)看,特別當一個(gè)接收機要同時(shí)接收4個(gè)發(fā)射機甚至更多發(fā)射機的數據時(shí),接收程序處理數據的有效性、及時(shí)性顯得更為重要。 圖6為接收機程序流程圖,考慮接收數據的有效性,我們設計SPI中斷方式接收數據,收到數據幀后MCU解析出發(fā)射機的ID號、壓力值、溫度值等信息,再判斷該發(fā)射機的ID與本接收機內存儲的ID是否一致,如果不一致,則丟棄該組數據并進(jìn)入省電狀態(tài)。如果ID一致,則處理數據并根據ID顯示相應輪胎的壓力溫度數據,在壓力或溫度超出正常范圍時(shí)能及時(shí)、準確地報警。 圖6 接收流程圖 無(wú)線(xiàn)通訊及協(xié)議 TPMS系統無(wú)線(xiàn)通信的設計關(guān)乎整個(gè)系統數據傳輸的可靠性,接收芯片MC33594提供了靈活的軟硬件通信資源。通過(guò)軟件對MC33594的內部寄存器CR1、CR2、CR3進(jìn)行編程,設定本TPMS系統的載波頻率為434MHz,無(wú)線(xiàn)數據傳輸速率為9600bps。發(fā)射模塊與接收模塊的數據傳輸采用固定幀長(cháng),格式為：幀頭(2字節)+發(fā)射機ID(4字節)+壓力數據(1字節)+溫度數據(1字節)+狀態(tài)信息(1字節)+校驗(1字節)+幀尾(1字節)。 其中幀頭包含同步頭、預設的ID信息(用于RF信號識別)、報頭標志(為二進(jìn)制曼徹斯特編碼0110),同步頭用于喚醒MC33594的內部電路,并通過(guò)PLL鎖定RF載波頻率;預設的ID信息用于識別系統信息的匹配;如果預設的ID信息匹配,則啟動(dòng)數據管理器,再判斷報頭是否到達,收到報頭后正式接收數據。 TPMS系統設計中的難點(diǎn)分析 信號可靠性要求 TPMS是一個(gè)測量胎壓、溫度等,涉及安全信息的無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統,其信號可靠性是設計中始終要考慮的問(wèn)題。該信號可靠性包括兩個(gè)方面：數據接收率和誤碼率。數據接收率是指接收機能否可靠地收到發(fā)射機發(fā)射的每一幀數據,不僅涉及接收機的靈敏度和發(fā)射機的發(fā)射功率,還有一個(gè)重要的影響因素：當發(fā)射機裝入輪胎而接收機放入車(chē)內時(shí),車(chē)體本身相當于一個(gè)屏蔽盒,對信號的衰減相當大,再加上多個(gè)發(fā)射機的數據沖突及周?chē)h(huán)境的干擾等,導致系統的數據接收率較低。誤碼率是指發(fā)射機發(fā)射的信號在傳輸途中因為外界環(huán)境干擾致使接收機收到錯誤的數據信息,導致系統可靠性降低。 在基于MPXY8020的TPMS設計中,我們采用高增益的發(fā)射天線(xiàn)及匹配電路使發(fā)射功率達到理想的設計要求,特別在接收端除了匹配電路設計外,一方面,根據汽車(chē)上無(wú)線(xiàn)電傳輸路徑的研究分析,采用雙天線(xiàn)的接收模式;另一方面,根據多發(fā)射機發(fā)射信號的隨機性和沖突性,采用時(shí)差間隙發(fā)送數據的方式進(jìn)行發(fā)射,并在接收軟件的設計中采用中斷接收循環(huán)處理的接收模式,這樣TPMS信號 接收率可高達98%以上。另外在軟件設計中對傳輸數據采用多種校驗方式相結合的方法,使系統的誤碼率大為降低。 當然,頻繁的發(fā)射數據可以增加接收機接收數據的幾率,從而提高系統可靠性,但這樣會(huì )大大降低電池的使用壽命。 環(huán)境要求 TPMS作為汽車(chē)上應用的產(chǎn)品,其環(huán)境適應方面要求相當嚴酷,特別是發(fā)射機,除了溫度范圍寬以外,還要達到防水、防鹽霧、抗振動(dòng)、抗沖擊、電磁兼容等諸多要求。這樣對原材料提出很高的要求,比如電池的工作溫度必須達到-40～125℃;發(fā)射機外殼必須采用高強度、高韌性、耐高低溫的材料等。TPMS發(fā)射機的生產(chǎn)工藝也要求很高,比如采用密封、灌膠等工藝,還要在生產(chǎn)過(guò)程中設計諸多的環(huán)境試驗。 關(guān)鍵元器件之一的電池,采用TADIRAN的TLH2450電池,達到溫度的設計要求;結合發(fā)射機外殼的環(huán)境要求和基于對各種塑料材料的特性分析,采用尼龍、玻纖等合成材料設計發(fā)射機外殼,達到了抗振動(dòng)、抗沖擊、耐高低溫等設計要求;另外,對發(fā)射機的制作采用灌膠密封的方式,即使將發(fā)射機全部浸沒(méi)水中,也可以正常發(fā)射數據。 體積重量要求 TPMS發(fā)射模塊要裝入輪胎內,則體積不能過(guò)大,太大會(huì )給輪胎安裝、拆卸造成很大的問(wèn)題;其次,發(fā)射模塊的重量要很輕,否則會(huì )對輪胎的動(dòng)平衡產(chǎn)生影響。因此在TPMS的設計中,對發(fā)射模塊的體積和重量都作了嚴格的限制,達到了體積小、重量輕的設計要求。 使用壽命要求 TPMS的使用壽命一般要達到8～10年,這對僅靠一只500mAh的電池(電池容量過(guò)大會(huì )增加發(fā)射模塊的體積和重量)維持工作的發(fā)射機的設計確實(shí)是不小的難題。除了硬件電路的設計功耗要極小以外,TPMS發(fā)射機的固件設計相當重要,在保證系統可靠性要求的前提下,發(fā)射機的傳感器測量次數、RF數據發(fā)射次數都要作嚴格控制。因此,設計者往往要在系統可靠性及壽命要求的矛盾中作優(yōu)化。 在基于8020傳感器的TPMS設計中,考慮到發(fā)射機以3s中斷喚醒MCU的方式進(jìn)行工作,其發(fā)射模塊大多時(shí)間都在省電狀態(tài),因此對省電狀態(tài)的功耗設計達到0.6uA以下,另外在電池極端壽命的實(shí)驗下基于對發(fā)射機發(fā)射次數的統計,理論計算該TPMS系統的壽命高達10年以上。 結語(yǔ) 直接式TPMS系統在產(chǎn)品化設計中面臨諸多難點(diǎn)。作為汽車(chē)安全產(chǎn)品,應更多關(guān)注其系統的失效分析。隨著(zhù)TPMS技術(shù)的不斷發(fā)展,新的TPMS技術(shù)方案集成度越來(lái)越高,特別是將傳感器、MCU、發(fā)射電路集成于一體后,不但發(fā)射模塊的體積更小、重量更輕,其性能、功能等都有很大的提高,如增加了LF、LVD、加速度測試等功能,甚至通過(guò)CAN總線(xiàn)使TPMS系統與整車(chē)電子系統相連,從而實(shí)現信息共享。 |
