直接式TPMS輪胎壓力監測系統設計

　　伴隨著城市交通技術的不斷發展，人們在享受高速公路高效便捷方式的同時，隨之引發的交通事故率也在提高，其中由于輪胎的氣壓引起的比例高達80%，這種現象使得人們要對行駛中的輪胎氣壓進行監測。一些發達國家陸續推出了相關法案(美國的TREAD法規)，要求新車裝配中必須裝配能夠對行駛中的輪胎氣壓實時監測的安全電子裝置。因此，在未來汽車上加裝輪胎壓力監測系統(TPMS)，也必將和ABS、安全氣囊一樣，是必然的發展趨勢。輪胎壓力監測系統全天候對輪胎里的壓力進行監測，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。

　　1 系統設計

　　TPMS系統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 MH z ISM頻段的單片UHF無線收發IC。它采用FSK的調制解調技術，其最高工作速率可達20 kb，發射功率可調，最大達lO dBm。基本技術指標如下：

　　中心載頻點為433.92/434.23 MHz;

　　最大發射功率為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;同樣，在輸出模式時，調制的信號在功率放大后，通過該腳輸出。

　　4腳為nRF401的PLL鎖相環濾波器輸入，該腳正常工作時的電壓是l.lV±0.2V。

　　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腳分別為數據輸入腳和輸出腳。配合18腳PWR_UP和19腳TXEN上的電位時序完成信息的發送和接收。圖3是進行數據發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 螺旋天線的結構

　　由于天線有不同類型，應根據具體應用要求來選擇。本應用中，天線位于汽車輪轂內。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(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)是一圈導線的長度。

　　另一個重要參數是螺旋角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。

　　①常態模式。在常態工作模式，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。

　　②軸向(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數。

　　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技術集成了壓力和溫度、加速度、電壓的檢測電路，直接以數字形式輸出各物理量的示值，與外圍采用SPI協議進行交互。

　　同時內部有兩個時鐘信號，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 系統功耗

　　由于要求TPMS系統整體靜態電流小于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的靜態電流為0.lμA，傳感器SPl2的靜態電流為O.6μA，射頻NRF401的待機電流為8μA。

　　經過實測，靜態功耗Ist=Ist_mcu+Ist_sensor+ist_rf+Ist_cap=15μA。Ist_cap為鉭電容的泄露電流。動態功耗在射頻處于連續發射的情況下，經實測為25mA(最大值。

　　2 軟件設計

　　2.1 軟件總體設計

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

　　(1)調試模式

　　主要執行產品出廠的一些內部測試和診斷功能。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。

　　(3)睡眠模式

　　以最低的功耗運行，響應系統的運行要求。

　　(4)測量模式

　　測量模式主要完成以下功能：

　　①定時測量輪胎壓力、溫度;

　　②壓力在不同級別區域內有報警時，同一個級別只上報一次;

　　③壓力無變化，固定間隔時間段上報一次壓力、溫度;

　　④保證系統可靠性.系統每隔約l小時復位一次。

　　⑤不同級別報警同時出現，則以高溫、高壓、低壓級別的優先級報警。

　　它們的相互轉換關系如圖5所示。

　　系統上電復位的工作流程圖如圖6所示。

　　2.2 傳感器數據的處理

　　SP12是壓力傳感的IC，內部直接處理得到的數字量，只需通過SPI物理接口，向它發送對應的命令字和指令，就可以得到當前輪胎的壓力、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驅動。達到與SP12通信的目的。

　　2.3 射頻數據的處理

　　為了保證在惡劣的環境下收發數據的可靠性，以及根據本應用信息量小，數據簡單的特點，采用信息冗余的方法來保證數據可靠地接收，即連續發送相同內容的信息。

　　數據的發送處理采用MCU內部的USART模塊。

　　數據幀格式為前導符+同步字符+ID碼+壓力+溫度+報警位+校驗碼。

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

　　結語

　　該TPMS系統具有體積小，成本低，雙向金時的特點，得到廣泛的應用。對于擁有幾千萬輛汽車的國內，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用的高潮。