用于輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)與芯片應(yīng)用特征

1、前言

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS -Tire pressure monitoring system)對(duì)于提高汽車(chē)安全性有舉足輕重的影響，當(dāng)今世界己有不少?lài)?guó)家高速公路安全協(xié)會(huì)因此立法強(qiáng)制實(shí)施TPMS。而低功耗、在惡劣環(huán)境下高度運(yùn)行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限，以及更長(zhǎng)的工作壽命等是TPMS的主要要求，于是方案的設(shè)計(jì)和芯片的選擇也圍繞這個(gè)要求進(jìn)行。

1.1目前TPMS主要有三種實(shí)現(xiàn)方式。

直接TPMS系統(tǒng)、間接TPMS系統(tǒng)和正在推出的混合TPMS。但是，間接TPMS有一定的局限性，采用間接方法進(jìn)行檢測(cè)在很大程度上依賴(lài)于輪胎和負(fù)載因子。直接TPMS采用固定在每個(gè)車(chē)輪中的壓力傳感器直接測(cè)量每個(gè)輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會(huì)通過(guò)發(fā)送器將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央接收器進(jìn)行分析，分析結(jié)果將被傳送至安裝在車(chē)內(nèi)的顯示器上。顯示器的類(lèi)型和當(dāng)今大多數(shù)車(chē)輛上裝配的簡(jiǎn)單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個(gè)輪胎的實(shí)際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機(jī)哪個(gè)輪胎充氣不足。直接TPMS也可檢測(cè)到較小的壓降。有些系統(tǒng)甚至可以檢測(cè)到 7kPa--1.0psi的壓降。為滿(mǎn)足多輪壓力檢測(cè)要求，由于系統(tǒng)安裝了直接氣壓傳感器，混合TPMS能夠克服常規(guī)直接TPMS的局限性，它們能夠檢測(cè)到在同一個(gè)車(chē)軸或車(chē)輛同一側(cè)的兩個(gè)處于低壓狀態(tài)的輪胎，當(dāng)所有4個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)也可以檢測(cè)到故障。

1.2下一代新型系統(tǒng)，就是將集成車(chē)輪模塊所需的感應(yīng)功能和發(fā)射功能。

這就意味著，MCU、傳感器和射頻發(fā)射器都被封裝在一起。與現(xiàn)有的產(chǎn)品相比較它集成了氣壓傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、搭載片上閃存的8051微處理器、低頻接收器接口以及315/433/868/915MHz射頻發(fā)射器。除減少組件數(shù)量外，它還可以降低系統(tǒng)總體成本，因?yàn)榘蹇ㄔO(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，尺寸更小。而另外一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)來(lái)自于無(wú)線控制，第一代TPMS發(fā)送器的設(shè)計(jì)采用SAW共振器的ASK調(diào)制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)陌l(fā)射頻率。該 ASK系統(tǒng)雖然非常廉價(jià)，但卻容易受到由于車(chē)輪(發(fā)送器安裝在其上)旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的接收?qǐng)鰪?qiáng)變化的影響。出于這一原因，現(xiàn)在的TPMS都采用基于晶體振蕩器的FSK調(diào)制方法和PLL合成器來(lái)產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。

值此本文將以基于LIN總線分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案為例作分析，并對(duì)用于TPMS新型芯片作介紹。

2、基于LIN總線分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期(≥10年)使用壽命這一目標(biāo)，必須使用低功耗集成化部件。電源管理因此成為首要的挑戰(zhàn)。也就是說(shuō)TPMS面臨的主要問(wèn)題是在有限的能源下能有較長(zhǎng)的使用壽命?？梢酝ㄟ^(guò)采用低功耗的壓力傳感器、分析測(cè)量所得數(shù)據(jù)并結(jié)合車(chē)輛實(shí)際情況(熄火或運(yùn)行)來(lái)改變監(jiān)控系統(tǒng)的工作方式及高效的數(shù)據(jù)采集控制算法等方法來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

由于將研討LIN總線應(yīng)用于TPMS，并用MCU、RF和傳感器實(shí)現(xiàn)TPMS見(jiàn)圖1直接式基于LIN總線的TPMS方案示意圖。而實(shí)用 TPMS示意的輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是由與輪胎閥一體的4個(gè)訊號(hào)發(fā)射器、收訊天線、收訊器及訊號(hào)顯示儀四類(lèi)部件組成的。為此有必要先對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的LIN總線有關(guān)技術(shù)作介紹。

2.1關(guān)于汽車(chē)應(yīng)用的LIN總線技術(shù)

2.11LIN總線LIN總線的主要特征為API到物理層的結(jié)構(gòu)

針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的LIN 1.0(本地互連網(wǎng)絡(luò))和LIN 2.0總線系統(tǒng)，它的目標(biāo)是低成本應(yīng)用，除了TPMS外還有電動(dòng)門(mén)、電動(dòng)窗、側(cè)鏡、雨刮器、座椅安全帶報(bào)警、外部照明等。LIN總線的傳輸速度最大為 20kbps，而且它在單通道總線環(huán)路中最多能支持16個(gè)節(jié)點(diǎn)，總線電纜的長(zhǎng)度最多可以擴(kuò)展到40米。LIN足一種基于通用SCI(UART)字節(jié)接口的單線串行通訊為協(xié)議。圖2(a)框圖所示為L(zhǎng)IN總線API到物理層的結(jié)構(gòu)。而LIN總線的主要特征為：—個(gè)主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的概念，無(wú)需總線仲裁;低成本：基于普通UART/SCI接口硬件;自同步，在從節(jié)點(diǎn)中不用晶體振蕩器或陶瓷振蕩器時(shí)鐘;保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間;低成本單線實(shí)現(xiàn)連接;速度高達(dá) 20kbps;基于應(yīng)用交互作用的信號(hào);LIN總線的驅(qū)動(dòng)/接收器規(guī)范遵從IS09141標(biāo)準(zhǔn)。

2.12LIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LIN采用單主機(jī)多從機(jī)模式，一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)。(由于過(guò)多節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻抗過(guò)低，一個(gè)L1N網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)不宜超過(guò)16。)主機(jī)節(jié)點(diǎn)既包括主機(jī)任務(wù)也包括從機(jī)任務(wù)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)都只包括從機(jī)任務(wù)，如圖2(b)為L(zhǎng)IN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。主機(jī)節(jié)點(diǎn)也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和其他總線如CAN連接。

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2.2 于LIN總線分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1描述了基于L1N總線的TPMS總體結(jié)構(gòu)，其中中央控制器的功能主要有三：通過(guò)LIN總線通知LIN從節(jié)點(diǎn)喚醒相應(yīng)輪胎內(nèi)的發(fā)送模塊;通過(guò)LIN總線返回LIN從節(jié)點(diǎn)接收到的輪胎壓力等數(shù)據(jù);分析、顯示已及聲光報(bào)警。當(dāng)LIN從節(jié)點(diǎn)接收到LIN 主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的喚醒命令時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號(hào)，讓其進(jìn)入工作狀態(tài)。LIN主節(jié)點(diǎn)Master向LIN從節(jié)點(diǎn)發(fā)送獲取命令幀，LIN從節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)通過(guò)LIN總線反饋給LIN主節(jié)點(diǎn)(主控)。

2.21輪胎內(nèi)壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊與芯片選擇

*輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊

由于輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊都放在輪胎內(nèi)，所以對(duì)IC的要求特別高，一般有如下要求：工作溫度-40℃—125℃，短時(shí)間內(nèi)達(dá)150℃;低功耗來(lái)保持電池壽命;能承受2000G(250kmh輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力;傳感器能保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定;IC體積少，重量輕;帶有壓力與溫度和電壓檢測(cè)。圖3左虛線框是基于輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊示意結(jié)構(gòu)圖。其中壓力傳感器IC是一款集成了壓力、溫度、電壓檢測(cè)傳感器、LF、MCU的IC。而發(fā)送IC是RF發(fā)射芯片系列。

*壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊芯片選擇及特征

圖3左虛線框?yàn)檩喬?nèi)的壓力傳感器IC和發(fā)送IC為freescale公司的Mpxy8020A6或Mpxy8040A芯片和 MC68HC90RF2芯片。 Mpxy8020A6它內(nèi)含壓力傳感器、溫度傳感器、電源控制和電池電壓檢測(cè)，喚醒功能的定時(shí)器，屬表面微機(jī)械CMOS加工工藝，SSOP封裝;而UHF 發(fā)送器+MCU(Flash)的MC68HC90RF2內(nèi)含為2K用戶(hù)FLash ROM，定時(shí)器，集成的射頻(RF)發(fā)送器，低電壓檢測(cè)和RAM及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。則整個(gè)圖3左虛線框?yàn)镸pxy8020A6A與MC68HC90RF2 合成的遙測(cè)模塊示意圖。其圖3右側(cè)MC33591為UHF接收器內(nèi)含鎖相環(huán)(PLL)超高頻開(kāi)關(guān)鍵控(00K)接收器;MC912DP256 接收端控制器內(nèi)含256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作須頻率。

當(dāng)然輪胎內(nèi)的傳感器IC也可以選擇Melexis公司的MLX90603芯片。MLX90603它內(nèi)部有16bit RISCMCU，8K byte Flash，256 byte RAM和128 byte EEPROM。MLX90603還有125KHz或13.56MHz LFinterface和壓力傳感器的補(bǔ)償接口(sensor interface)在IC內(nèi)。最大的特點(diǎn)是它有不同的工作模式Shelf mode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和適合RFID、RF應(yīng)用的TDMA(Tag Direct Memory Access)mode，。這些都為降低發(fā)射端功耗、延長(zhǎng)電池使用壽命提供了最大的可能性。在發(fā)射IC方面，Melexis有不同頻率和調(diào)制的IC和汽車(chē)級(jí)IC(工作溫度-40℃-125℃)，如315MHz，433MHz，868MHz和915MHz等ISM band頻段，IC FSK，ASK和FM等不同調(diào)制IC，可在1.85V-5.5V寬電壓范圍內(nèi)工作，并且發(fā)射功率可在-12dBm--+10dBm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

2.22接收模塊與芯片選擇

其圖3右側(cè)MC33591為UHF接收器內(nèi)含鎖相環(huán)(PLL)超高頻開(kāi)關(guān)鍵控(00K)接收器;MC912DP256接收端控制器內(nèi)含 256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作須頻率。當(dāng)然對(duì)于接收模塊處于LIN網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)即中央控制器，見(jiàn)圖1所示。也可選擇MLX82001 ， 該芯片是一個(gè)6位的、集成了LIN2.0并帶有增強(qiáng)型UART的MCU;從節(jié)點(diǎn)可選擇MLX81100集成了雙任務(wù)CPU和LIN收發(fā)器，是專(zhuān)門(mén)為L(zhǎng)IN 總線應(yīng)用設(shè)計(jì)的MCU。

2.3 TPMS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)考慮

在設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、功效高的系統(tǒng)時(shí)，需要考慮的第一個(gè)因素就是軟件。因?yàn)檐?chē)輪模塊通常是用微控制器來(lái)執(zhí)行命令的，所以應(yīng)采用一種智能化算法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功效。其次，使用低頻功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用低頻接口時(shí)，感應(yīng)模塊可以始終處于電源關(guān)閉模式，只有在收到喚醒信號(hào)后，傳感器才會(huì)進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。除了降低功耗以外，低頻接口還具備設(shè)計(jì)靈活性和其他一些優(yōu)勢(shì)。例如，低頻通訊可使系統(tǒng)通過(guò)低頻接口向微控制器發(fā)送特定命令，以對(duì)輪胎進(jìn)行重新校準(zhǔn)和定位。值此以MLX90603帶有LF(Low Frequency)接口為例的發(fā)送模塊軟件設(shè)計(jì)方案作一說(shuō)明。MLX90603帶有LF(Low Frequency)接口，因此可以在大部分時(shí)間內(nèi)將發(fā)射端處于休眠模式，需要時(shí)通過(guò)低頻信號(hào)將其喚醒，進(jìn)而進(jìn)行測(cè)量并通過(guò)TH720x發(fā)射芯片將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的LIN從節(jié)點(diǎn)。圖4是發(fā)射端的部分流程圖。本方案中，充分利用了MLX90603 中集成的TDMA(Tag Direct Memory Access)模塊，在MLX90603采集完數(shù)據(jù)后，配置TDMA、RF所需的寄存器，即可將MLX90603進(jìn)入Sleep mode，利用TDMA模塊自動(dòng)把要發(fā)射的數(shù)據(jù)傳輸給RF，以充分節(jié)省功耗。由于發(fā)射端工作在惡劣環(huán)境下，為了保證發(fā)送端和接收端進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，考慮到本應(yīng)用信息量小、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，我們采用信息冗余的方法來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠接收，即一幀數(shù)據(jù)發(fā)送N次。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送次數(shù)N。

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3、新型送器(遙控鑰匙)與接收器中幾種芯片的選用

3.1MAXl473接收器與MAX7044發(fā)送器的選用

而RF接收器器件 MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK射頻接收器平均靈敏度為-114dBm，正常工作僅消耗5.5mA(典型值)的電流。內(nèi)置鏡頻抑制，無(wú)需通常使用的前端SAW濾波器。睡眠模式時(shí)，MAXl473可在小于250ps的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并發(fā)送數(shù)據(jù)，保證了更深的睡眠周期和更長(zhǎng)的電池壽命 MAXl473可工作于3V至5V的電源電壓。

而發(fā)送器中的MAX7044器件是可輸出+3dBmASK信號(hào)的發(fā)送器，采用微型的8引腳SOT封裝，采用占空比為50%的編碼方式時(shí)，如曼徹斯特碼，僅需消耗7.7mA的電流。MAX7044可使用電壓低至2.1V的單個(gè)鋰電池供電。

而RF接收器器件 MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK(振幅變換調(diào)制)射頻接收器平均靈敏度為-114dBm，正常工作僅消耗5.5mA(典型值)的電流。內(nèi)置鏡頻抑制，無(wú)需通常使用的前端SAW濾波器。睡眠模式時(shí)，MAXl473可在小于250ps的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并發(fā)送數(shù)據(jù)，保證了更深的睡眠周期和更長(zhǎng)的電池壽命MAXl473可工作于3V至5V的電源電壓。該300MHz至450MHz發(fā)送器和接收器的最大優(yōu)點(diǎn)是能將你的RKE系統(tǒng)有效距離擴(kuò)大一倍理想應(yīng)用子電池供電設(shè)備，包括鑰匙，汽車(chē)報(bào)警和胎壓檢測(cè)。

該300MHz至450MHz發(fā)送器和接收器的最大優(yōu)點(diǎn)是能將你的RKE系統(tǒng)有效距離擴(kuò)大一倍(即控制范圍超過(guò)兩倍)是理想應(yīng)用于電池供電設(shè)備，胎壓檢測(cè)的選擇也包括鑰匙，汽車(chē)報(bào)警。

3.2雙通道接收器同時(shí)捕捉兩種信號(hào)的MAX1471結(jié)構(gòu)方框與應(yīng)用

使用MAXl471雙通道接收器同時(shí)捕捉兩種信號(hào)，即能同時(shí)接收ASK和FSK(頻率變換數(shù)據(jù))，模式間切換時(shí)間為零。針對(duì)同時(shí)需要對(duì) ASK和FSK解碼的低成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，MAXl471雙模接收器還可進(jìn)行自輪詢(xún)，器件可保持長(zhǎng)達(dá)8分鐘的睡眠模式，并可喚醒微處理器，以進(jìn)一步節(jié)省能源。 MAXl47l工作于300MHz至450MHz，包括內(nèi)置的42dB(兆型值)鏡頻抑制混頻器，不需常見(jiàn)的SAW濾波器。MAXl471內(nèi)置一個(gè)可用于 3.3V或5V的穩(wěn)壓器，可在低至2.4V的電壓下工作。圖5為MAX1471結(jié)構(gòu)方框與應(yīng)用示意圖，從圖中表看出MAX1471也可用于汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)中接收器。

4、結(jié)束語(yǔ)

上述新型系信統(tǒng)與芯片的分析介紹，采用分布式結(jié)構(gòu)的TPMS，其特點(diǎn)是，控制靈活，比較適合應(yīng)用于前裝市場(chǎng)。而將LIN總線應(yīng)用于TPMS的優(yōu)勢(shì)是為每個(gè)輪胎跟接收器比較接近，因此會(huì)大大節(jié)省每個(gè)發(fā)射器的功率，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。