NPXI智能傳感器的TPMS系統(tǒng)設(shè)計

引 言
    據(jù)調(diào)查，高速公路發(fā)生的嚴重交通事故，有很大比例是由汽車輪胎欠壓引起的。為防止此類事故發(fā)生，美國國會通過TREAD法案，強制要求汽車安裝輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)，得到世界各國積極響應(yīng)。因此，在未來汽車上加裝輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，將和ABS、安全氣囊一樣，成為必然的發(fā)展趨勢。
    TPMS系統(tǒng)分為直接式TPMS和間接式TPMS兩種。其中間接式TPMS是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較車輪之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的，其精度較低。直接式TPMS工作原理是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器和溫度傳感器來直接測量輪胎的壓力和溫度，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)控。它的優(yōu)點是，在輪胎壓力過高、過低，輪胎緩慢漏氣或溫度異常變化時，可以及時向車載無線接收器報警，有效防止爆胎，同時監(jiān)測所有輪胎的狀況，并且系統(tǒng)對汽車的行駛速度沒有要求。
    目前提供TPMS配套方案的半導體廠商很多，芯片廠商主要包括飛思卡爾(Freescale)、英飛凌(SensoNor)、GE(NovaSensor)、Atmel、Maxim、東芝、NXP、Omron、MelxiS、RFMonilithi等公司。其中GE、飛思卡爾和英飛凌公司具有從胎壓傳感器、RF發(fā)射及接收器，到MCU的完整產(chǎn)品線，其他半導體公司主要提供從胎壓傳感器、RF、到MCU的若干配套方案。
    從20世紀90年代開始，GE公司通用NovaSensor就提供壓力傳感器及TPMS系統(tǒng)方案。2004年其NPX系列壓力傳感器開始供貨，NPX I芯片整合了壓力、溫度傳感器及8位RISC MCU，NPX II與NPX I相比較又整合了慣性感應(yīng)器；2006年推出的NPX III除具有以上功能外，更把RF發(fā)射電路整合一體，成為單芯片方案。NPX系列芯片由于性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定，被世界一流汽車配套廠商廣泛采用。本文介紹基于GE公司NPX I芯片的TPMS系統(tǒng)設(shè)計方案及實現(xiàn)方法。

1 直接式TPMS設(shè)計
    直接式TPMS系統(tǒng)框圖如圖1所示。一般來說，TPMS系統(tǒng)需要4個發(fā)射模塊和1個接收模塊。4個發(fā)射模塊都需要與接收模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，因此如何使它們之間的通信工作協(xié)調(diào)、有序地進行，成為設(shè)計中需要注意的問題。

    對于GE公司提供的方案，溫度和壓力傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器及8位的MCU都整合進NPX系列芯片之中，使得數(shù)據(jù)采集與傳輸中的通信設(shè)計大大簡化。對于NPX I和NPX II芯片，只需要配合合適的射頻發(fā)送電路，就可以實現(xiàn)發(fā)送模塊的全部功能。如圖l(b)所示，TPMS系統(tǒng)的接收模塊包括解調(diào)電路、接收處理、顯示及控制接口4部分。解調(diào)電路將接收的射頻信號放大解調(diào)后，將數(shù)字信號送給微處理器串行接口；微處理器再進行譯碼，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎的位置、溫度和壓力值，然后做出相應(yīng)的處理，如更新顯示、聲光報警等。
1．1 發(fā)送模塊硬件設(shè)計
    GE公司一直致力于TPMS傳感器產(chǎn)品的開發(fā)，其產(chǎn)品NPX I芯片集成了壓力傳感器、溫度傳感器及1個8位RISC微處理器。NPX I芯片具有4 KB的用戶可編程空間、4 KB的定制ROM，以及一個2D的LF輸入級。各類傳感器的信號經(jīng)12位ADC轉(zhuǎn)換后，提供給用戶和系統(tǒng)進行進一步的處理。在4 KB的定制ROM中，固化了GE公司特有的壓力、溫度和電壓測量、補償和校準程序，以及其他實用的子程序，用戶可省去繁復的運算編程，只需簡單調(diào)用即可獲得需要的狀態(tài)值。在開發(fā)階段，GE公司可以提供可編程版本的傳感器，用戶可以通過仿真器編程器將程序下載到器件的4 KB用戶可編程空間中。下載程序之后的傳感器可以直接運行使用，或者通過仿真器進行實時仿真單步調(diào)試。調(diào)試環(huán)境與一般的單片機非常相似?？蛻舸笈可a(chǎn)版本的傳感器可以通過掩膜ROM工藝生產(chǎn)，以進一步降低成本。
    由NPX I芯片實現(xiàn)的發(fā)送模塊如圖2所示。

    為了保證系統(tǒng)在較低電流消耗的情況下仍有較高的發(fā)射功率和接收靈敏度，系統(tǒng)選用了NXP公司的高集成度的單芯片發(fā)射器PCH7900。PCH7900芯片集成度非常高，只需很少的外圍元件就可以用于315／434／868／915MHz、數(shù)據(jù)速率高達40 kbps的ASK和FSK調(diào)制發(fā)射機?；赑CH7900的射頻數(shù)據(jù)發(fā)送電路如圖3所示。其中315 MHz和868 MHz發(fā)射頻率的電路參數(shù)按表1設(shè)置。

1．2 接收模塊硬件設(shè)計
    TPMS系統(tǒng)的接收模塊主要由天線、射頻接收電路、主控芯片MCU以及鍵盤、顯示器組成，用于接收各發(fā)射模塊傳送的輪胎溫度與壓力數(shù)據(jù)，顯示各輪胎的ID識別碼和測量數(shù)據(jù)，并在異常情況發(fā)生時聲光報警。由于接收模塊安裝在汽車車廂內(nèi)，故對器件選用的各方面要求不高，工業(yè)級即可。
    RF接收芯片選用時要求接收靈敏度較高，這里選用Maxim公司的MAXl473芯片。MAXl473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差接收器，具有一114～O dBm的輸入信號范圍、高于50 dB的鏡像載波抑制，用于接收300～450 MHz頻率范圍的幅度鍵控(ASK)數(shù)據(jù)信號非常理想。這款芯片在關(guān)斷模式下電流消耗低于2．5μA，接收模式下電流消耗為5．2 mA，可接收高達100 kbps的數(shù)據(jù)速率。使用MAXl473芯片實現(xiàn)的315 MHz的射頻接收電路如圖4所示。

    Silicon Labs公司的C8051F4l0單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。該芯片具有片內(nèi)上電復位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，F(xiàn)lash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新固件。片內(nèi)Silicon Labs二線(C2)開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器及寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行；并且2個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。
    使用C8051 F4lO 芯片的主控電路框圖如圖5所示。

2 軟件實現(xiàn)與仿真實驗
2．1 數(shù)據(jù)傳輸格式
    為實現(xiàn)系統(tǒng)輪胎模塊和接收模塊之間可靠的無線通信，發(fā)射機和接收機之問必須以一定的協(xié)議進行通信。發(fā)射模塊中的MCU發(fā)送數(shù)據(jù)時以數(shù)據(jù)幀方式進行，通過數(shù)據(jù)幀的前導位喚醒接收模塊，其幀格式如下：

    其中，前導位的作用是喚醒接收器和指示有實際的數(shù)據(jù)跟隨；輪胎ID用來識別和確定輪胎位置；壓力值和溫度值傳送實際的測量值；狀態(tài)位指示當前的系統(tǒng)狀態(tài)；校驗和用來驗證數(shù)據(jù)正確性；停止位指示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。
2．2 軟件設(shè)計
    因為發(fā)送模塊的設(shè)計要考慮節(jié)電功能，所以模塊平時處于休眠狀態(tài)，當接收到加速度喚醒信號時進行測量并傳輸數(shù)據(jù)，其程序流程如圖6所示。接收模塊的程序流程如圖7所示。接收模塊上電后，首先配置MCU和RF接收芯片，然后開始接收數(shù)據(jù)。當收到數(shù)據(jù)后，MCU校驗輪胎1D，當確認輪胎ID有效后，MCU處理該數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)。最后，MCU根據(jù)設(shè)置的閾值決定是否作出超壓、欠壓及漏氣等報警動作。

2．3 仿真實驗
    由本文設(shè)計的TPMS系統(tǒng)在與實際工作情況相類似的情況下做了仿真實驗，其中實驗壓力變化范圍為100～250 kPa，輪胎溫度變化范圍為O～90℃。本文設(shè)計的TPMS系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)與標準壓力計與溫度計的比較情況如表2所列。

    由以上實驗可以看出，本TPMS系統(tǒng)測量得到的壓力和溫度值基本正確，誤差在允許范圍之內(nèi)。

3 結(jié) 論
    輪胎壓力和溫度的實時監(jiān)測和報警系統(tǒng)是汽車安全系統(tǒng)必備的功能之一，其中直接式TPMS系統(tǒng)是當前主要的實現(xiàn)方式。本文針對GE公司的NPX I芯片進行了汽車直接式TPMS系統(tǒng)設(shè)計，其中發(fā)射模塊采用NPX I芯片及發(fā)射芯片PCH7900，接收模塊采用MAXl473接收芯片及C8051F410單片機實現(xiàn)。與其他TPMS系統(tǒng)方案比較，本設(shè)計所采用的NPX I芯片集成了壓力傳感器、溫度傳感器及微處理器MCU，集成度高，性能穩(wěn)定，可以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)與微處理器之間高效可靠的通信。接收端采用C805lF410單片機作為主控芯片，該芯片功能強大、支持在線調(diào)試，并具有良好的性價比。