基于MPXY8020傳感器的TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
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目前出現(xiàn)的TPMS主要分為間接式和直接式。間接式TPMS使用ABS輪胎速度傳感器來測(cè)量每一個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)速,從而判斷輪胎壓力,該系統(tǒng)雖然具有不用電池、耐用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但準(zhǔn)確性、可靠性差。直接式TPMS系統(tǒng)主要用于汽車行駛時(shí),能夠適時(shí)地對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè),對(duì)輪胎漏氣造成低胎壓和高溫高胎壓導(dǎo)致爆胎進(jìn)行預(yù)警,確保行車安全,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(tǒng)設(shè)計(jì),并對(duì)直接式TPMS的設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行分析。
TPMS系統(tǒng)框圖及系統(tǒng)工作原理
TPMS系統(tǒng)由數(shù)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(nèi),通過壓力溫度傳感器可以測(cè)量該輪胎內(nèi)氣體的壓力和溫度,發(fā)射端中央處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理,并將發(fā)射機(jī)ID號(hào)、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(shù)據(jù)FSK/ASK調(diào)制后通過發(fā)射天線發(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接收電路通過接收天線接收發(fā)射模塊的無線信號(hào),并將接收到的信號(hào)解調(diào)、解碼后送給接收端中央處理器,中央處理器處理數(shù)據(jù)后根據(jù)ID號(hào)將各個(gè)輪胎的壓力/溫度值顯示在顯示器相應(yīng)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(bào)。接收模塊可以用車載電源|穩(wěn)壓器或電池。
圖2 接收模塊
基于MPXY8020傳感器的發(fā)射模塊設(shè)計(jì)
TPMS系統(tǒng)中發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
MPXY8020是專用于TPMS系統(tǒng)的多功能、低功耗的傳感芯片,其內(nèi)部除了壓力和溫度傳感電路外,還具有內(nèi)部喚醒功能的數(shù)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(jù)MCU對(duì)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(jī)模式、壓力測(cè)量模式、溫度測(cè)量模式及測(cè)量數(shù)據(jù)輸出模式;DATA和CLK為軟件控制的串行接口,進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸;OUT端口為復(fù)用端口,8020在待機(jī)模式下,可以每3s內(nèi)部自喚醒并通過OUT端口以中斷方式喚醒MCU。當(dāng)8020在測(cè)量數(shù)據(jù)輸出模式時(shí),OUT作為內(nèi)部比較器的邏輯狀態(tài)輸出;RST具有52min復(fù)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(zhuǎn)換是逐次逼近型的反饋式轉(zhuǎn)換器,其原理是8020內(nèi)部具有8位移位寄存器,MCU通過8020的DATA和CLK端口首先輸入10000000二進(jìn)制數(shù)據(jù),將8位寄存器D/A轉(zhuǎn)換的模擬量與壓力或溫度的真實(shí)測(cè)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。依次類推從高位向低位可以逐次逐位逼近真實(shí)測(cè)量值,這樣MCU可以確定最終的壓力和溫度測(cè)量值。
68HC908RF2內(nèi)部高性能8位處理器主要負(fù)責(zé)與傳感器的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理及與RF發(fā)射電路的數(shù)據(jù)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(cè)量逼近值;PTA5是復(fù)用端,當(dāng)MCU讀取傳感器的測(cè)量值時(shí),PTA5通過OUT獲取比較器的狀態(tài),當(dāng)MCU在省電模式時(shí)PTA5作為鍵盤中斷輸入端口,通過OUT獲得3s中斷。另外,S1是速度開關(guān),當(dāng)汽車運(yùn)行或停止時(shí)S1開關(guān)可以導(dǎo)通或閉合,這樣MCU就可以根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)對(duì)程序作有效處理。
68HC908RF2內(nèi)部還集成一個(gè)多頻帶工作的FSK/OOK調(diào)制電路,其工作方式由數(shù)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32倍頻后產(chǎn)生載波頻率為434MHz的RF信號(hào)。MODE為FSK/OOK調(diào)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)過曼徹斯特編碼后的壓力溫度等信息,以二進(jìn)制數(shù)據(jù)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(dāng)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(fù)載電容C1和C2,負(fù)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)過倍頻后FSK信號(hào)就可以產(chǎn)生。
發(fā)射模塊固件程序設(shè)計(jì)
發(fā)射模塊的固件程序從功能上來看較為簡(jiǎn)單,但從系統(tǒng)的可靠性、使用壽命等方面來考慮,對(duì)程序設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)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(jī)要工作8年以上,除了優(yōu)秀的硬件設(shè)計(jì)外,固件程序?qū)Πl(fā)射模塊的各個(gè)電路進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、有效的控制顯得尤為重要。
圖4為簡(jiǎn)單的程序流程圖,考慮省電的問題,整個(gè)發(fā)射模塊一般時(shí)間都處于省電模式。當(dāng)MPXY80203s中斷喚醒MCU后,MCU立即控制8020進(jìn)行壓力溫度檢測(cè)并獲得壓力溫度測(cè)量值,MCU再對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的時(shí)間,如果定時(shí)時(shí)間沒有到就進(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(shù)據(jù),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(shù)據(jù)的程序。
圖4 發(fā)射流程圖
接收模塊設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)接收機(jī)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(shè)計(jì)
MC33594是一個(gè)具有自動(dòng)增益控制的高靈敏度的OOK/FSK解調(diào)芯片,內(nèi)部包括混頻、中頻放大、鎖相環(huán)、解調(diào)、數(shù)據(jù)管理及SPI接口等電路。MCU可以通過SPI接口對(duì)MC33594的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置,從而設(shè)置該接收芯片的調(diào)制類型、數(shù)據(jù)接收碼速率、RF載波頻率等信息。圖5為TPMS接收電路,MC33594通過接收天線接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的RF信號(hào),將RF信號(hào)解調(diào)后通過SPI接口以中斷方式傳輸給68HC908GT16(MCU),MCU負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù),并在必要時(shí)啟動(dòng)報(bào)警電路。
圖5 接收電路
接收模塊固件程序設(shè)計(jì)
接收程序與發(fā)射程序類似,雖然功能簡(jiǎn)單,但從可靠性來看,特別當(dāng)一個(gè)接收機(jī)要同時(shí)接收4個(gè)發(fā)射機(jī)甚至更多發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí),接收程序處理數(shù)據(jù)的有效性、及時(shí)性顯得更為重要。
圖6為接收機(jī)程序流程圖,考慮接收數(shù)據(jù)的有效性,我們?cè)O(shè)計(jì)SPI中斷方式接收數(shù)據(jù),收到數(shù)據(jù)幀后MCU解析出發(fā)射機(jī)的ID號(hào)、壓力值、溫度值等信息,再判斷該發(fā)射機(jī)的ID與本接收機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的ID是否一致,如果不一致,則丟棄該組數(shù)據(jù)并進(jìn)入省電狀態(tài)。如果ID一致,則處理數(shù)據(jù)并根據(jù)ID顯示相應(yīng)輪胎的壓力溫度數(shù)據(jù),在壓力或溫度超出正常范圍時(shí)能及時(shí)、準(zhǔn)確地報(bào)警。
圖6 接收流程圖
無線通訊及協(xié)議
TPMS系統(tǒng)無線通信的設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?接收芯片MC33594提供了靈活的軟硬件通信資源。通過軟件對(duì)MC33594的內(nèi)部寄存器CR1、CR2、CR3進(jìn)行編程,設(shè)定本TPMS系統(tǒng)的載波頻率為434MHz,無線數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps。發(fā)射模塊與接收模塊的數(shù)據(jù)傳輸采用固定幀長(zhǎng),格式為：幀頭(2字節(jié))+發(fā)射機(jī)ID(4字節(jié))+壓力數(shù)據(jù)(1字節(jié))+溫度數(shù)據(jù)(1字節(jié))+狀態(tài)信息(1字節(jié))+校驗(yàn)(1字節(jié))+幀尾(1字節(jié))。
其中幀頭包含同步頭、預(yù)設(shè)的ID信息(用于RF信號(hào)識(shí)別)、報(bào)頭標(biāo)志(為二進(jìn)制曼徹斯特編碼0110),同步頭用于喚醒MC33594的內(nèi)部電路,并通過PLL鎖定RF載波頻率;預(yù)設(shè)的ID信息用于識(shí)別系統(tǒng)信息的匹配;如果預(yù)設(shè)的ID信息匹配,則啟動(dòng)數(shù)據(jù)管理器,再判斷報(bào)頭是否到達(dá),收到報(bào)頭后正式接收數(shù)據(jù)。
TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)分析
信號(hào)可靠性要求
TPMS是一個(gè)測(cè)量胎壓、溫度等,涉及安全信息的無線收發(fā)系統(tǒng),其信號(hào)可靠性是設(shè)計(jì)中始終要考慮的問題。該信號(hào)可靠性包括兩個(gè)方面：數(shù)據(jù)接收率和誤碼率。數(shù)據(jù)接收率是指接收機(jī)能否可靠地收到發(fā)射機(jī)發(fā)射的每一幀數(shù)據(jù),不僅涉及接收機(jī)的靈敏度和發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率,還有一個(gè)重要的影響因素：當(dāng)發(fā)射機(jī)裝入輪胎而接收機(jī)放入車內(nèi)時(shí),車體本身相當(dāng)于一個(gè)屏蔽盒,對(duì)信號(hào)的衰減相當(dāng)大,再加上多個(gè)發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)沖突及周圍環(huán)境的干擾等,導(dǎo)致系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收率較低。誤碼率是指發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)在傳輸途中因?yàn)橥饨绛h(huán)境干擾致使接收機(jī)收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息,導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。
在基于MPXY8020的TPMS設(shè)計(jì)中,我們采用高增益的發(fā)射天線及匹配電路使發(fā)射功率達(dá)到理想的設(shè)計(jì)要求,特別在接收端除了匹配電路設(shè)計(jì)外,一方面,根據(jù)汽車上無線電傳輸路徑的研究分析,采用雙天線的接收模式;另一方面,根據(jù)多發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)性和沖突性,采用時(shí)差間隙發(fā)送數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行發(fā)射,并在接收軟件的設(shè)計(jì)中采用中斷接收循環(huán)處理的接收模式,這樣TPMS信號(hào) 接收率可高達(dá)98%以上。另外在軟件設(shè)計(jì)中對(duì)傳輸數(shù)據(jù)采用多種校驗(yàn)方式相結(jié)合的方法,使系統(tǒng)的誤碼率大為降低。
當(dāng)然,頻繁的發(fā)射數(shù)據(jù)可以增加接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的幾率,從而提高系統(tǒng)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作為汽車上應(yīng)用的產(chǎn)品,其環(huán)境適應(yīng)方面要求相當(dāng)嚴(yán)酷,特別是發(fā)射機(jī),除了溫度范圍寬以外,還要達(dá)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(duì)原材料提出很高的要求,比如電池的工作溫度必須達(dá)到-40～125℃;發(fā)射機(jī)外殼必須采用高強(qiáng)度、高韌性、耐高低溫的材料等。TPMS發(fā)射機(jī)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)過程中設(shè)計(jì)諸多的環(huán)境試驗(yàn)。
關(guān)鍵元器件之一的電池,采用TADIRAN的TLH2450電池,達(dá)到溫度的設(shè)計(jì)要求;結(jié)合發(fā)射機(jī)外殼的環(huán)境要求和基于對(duì)各種塑料材料的特性分析,采用尼龍、玻纖等合成材料設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)外殼,達(dá)到了抗振動(dòng)、抗沖擊、耐高低溫等設(shè)計(jì)要求;另外,對(duì)發(fā)射機(jī)的制作采用灌膠密封的方式,即使將發(fā)射機(jī)全部浸沒水中,也可以正常發(fā)射數(shù)據(jù)。
體積重量要求
TPMS發(fā)射模塊要裝入輪胎內(nèi),則體積不能過大,太大會(huì)給輪胎安裝、拆卸造成很大的問題;其次,發(fā)射模塊的重量要很輕,否則會(huì)對(duì)輪胎的動(dòng)平衡產(chǎn)生影響。因此在TPMS的設(shè)計(jì)中,對(duì)發(fā)射模塊的體積和重量都作了嚴(yán)格的限制,達(dá)到了體積小、重量輕的設(shè)計(jì)要求。
使用壽命要求
TPMS的使用壽命一般要達(dá)到8～10年,這對(duì)僅靠一只500mAh的電池(電池容量過大會(huì)增加發(fā)射模塊的體積和重量)維持工作的發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)確實(shí)是不小的難題。除了硬件電路的設(shè)計(jì)功耗要極小以外,TPMS發(fā)射機(jī)的固件設(shè)計(jì)相當(dāng)重要,在保證系統(tǒng)可靠性要求的前提下,發(fā)射機(jī)的傳感器測(cè)量次數(shù)、RF數(shù)據(jù)發(fā)射次數(shù)都要作嚴(yán)格控制。因此,設(shè)計(jì)者往往要在系統(tǒng)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(shè)計(jì)中,考慮到發(fā)射機(jī)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(duì)省電狀態(tài)的功耗設(shè)計(jì)達(dá)到0.6uA以下,另外在電池極端壽命的實(shí)驗(yàn)下基于對(duì)發(fā)射機(jī)發(fā)射次數(shù)的統(tǒng)計(jì),理論計(jì)算該TPMS系統(tǒng)的壽命高達(dá)10年以上。
結(jié)語
直接式TPMS系統(tǒng)在產(chǎn)品化設(shè)計(jì)中面臨諸多難點(diǎn)。作為汽車安全產(chǎn)品,應(yīng)更多關(guān)注其系統(tǒng)的失效分析。隨著TPMS技術(shù)的不斷發(fā)展,新的TPMS技術(shù)方案集成度越來越高,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(cè)試等功能,甚至通過CAN總線使TPMS系統(tǒng)與整車電子系統(tǒng)相連,從而實(shí)現(xiàn)信息共享。
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