基于智能傳感器MPXY8320A的TPMS系統(tǒng)設計
1．1 TPMS系統(tǒng)的發(fā)展歷史
國際市場，1997年，通用汽車公司開始使用間接式汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)TPMS(Tire Pressure Monitoring System)；2000年5月，直接式TPMS在美國上市；2002年發(fā)布的世界新車資料中顯示，美國福特公司的林肯大陸、戴姆勒一克萊斯勒公司今年夏天上市的道奇(Dodge)迷你廂型車及Chrysler300M等系列車型，都將裝設直接式TPMS。許多歐洲的汽車廠商也已將直接式TPMS配裝于自己的中高檔車型之中，其中包括寶馬公司的Z8、歐寶2002年版威達、雪鐵龍公司的C5，阿斯頓·馬汀公司的超級跑車Vanquish、旁蒂克的旗艦Bon nevllleSE等等。國內汽車制造巨頭也已開始考慮將TPMS作為原廠裝備的標準配置。2003年5月，日本ALPS電氣公司從德國IQMobil GmbH獲得了不使用電池的TPMS技術，并簽訂了獨家專利授權合同。借用該技術開發(fā)的TPMS己通過歐洲和美國的電波法認證試驗，并于2004年6月起提供工業(yè)樣品，2005年量產(chǎn)供貨。我國也在2000年前后通過引進技術的方式開始了TPMS的生產(chǎn)。
1．2 發(fā)展趨勢
直接式TPMS和間接式TPMS各有自己的優(yōu)缺點。直接式TPMS可以隨時測定每個輪胎內部的當前壓力，很容易確定故障輪胎。間接式TPMS相對便宜，使用間接系統(tǒng)，己經(jīng)裝備了4輪ABS(每個輪胎裝備1個輪速傳感器)的汽車只需對軟件進行升級；但是，目前這類系統(tǒng)沒有直接系統(tǒng)準確率高，無法監(jiān)測出多個輪胎同時缺壓或高壓的情況。顯而易見，直接式TPMS更有效，因此，目前直接式TPMS正逐步取代間接式TPMS而成為輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)的主流。但是，有源MEMS式TPMS傳感器／發(fā)射器需要電池提供動力，因此不可避免地帶來一些弊端，如電池的壽命有限和電池的存在很難降低發(fā)射器的重量等。從長遠來看，無源MEMS式TPMS以其無可比擬的優(yōu)點將成為未來TPMS發(fā)展的趨勢。
2 無源化
如果胎內模塊可以實現(xiàn)無源(即無電池)，則上述問題都可以迎刃而解。為達到以上目的，下面主要闡述TPMS無線無源化發(fā)展的幾個實現(xiàn)方案：
①輪胎內模塊有發(fā)電裝置，將輪胎運動的機械能轉化為電能。此為壓電發(fā)電方案。
②從輪胎外通過電磁場傳入能量，驅動輪胎內模塊工作，發(fā)射壓力信息。此為磁場電磁耦合方案。
③輪胎外發(fā)射電磁波，碰到輪胎內模塊內置器件后反射，同時攜帶回壓力信息。此為聲表面波無源無線傳感器方案。
3 外置編碼存儲器輪胎定位
外置編碼存儲器輪胎定位技術是一種新型的TPMS輪胎定位技術。采用外置編碼存儲器的TPMS同樣由發(fā)射檢測模塊和接收顯示模塊組成，其特征在于接收顯示模塊接有插入式編碼存儲器，每個發(fā)射檢測模塊均有一個固定的ID碼，與對應編碼存儲器的ID碼一致。輪胎換位或者更換時，只需調換或更換插入式編碼存儲器。外置編碼存儲器式輪胎定位技術，通過調整顯示模塊編碼存儲器中的ID碼與每個發(fā)射檢測模塊中的ID碼的對應關系，將重新識別身份的問題轉換成ID碼的換位設置問題，是簡單、有效的解決方案。其插頭插入的操作方式簡單可靠。通過I／O讀人插入式編碼存儲器電路中的編碼，避免了用無線方式讀入ID編碼，從根本上解決了干擾的問題，實現(xiàn)原理如圖1所示。
系統(tǒng)在工作時，中央接收、處理模塊先依次讀取外置編碼存儲器中的ID碼，然后重新設置存儲在接收顯示模塊存儲器中的ID碼與輪胎對應定位關系信息，并予以保存。一旦中央模塊接收到輪胎檢測模塊發(fā)射過來的信息，馬上將接收到的信息解碼。在獲取其中的ID碼后，根據(jù)前面設定的ID對應定位關系信息即可判斷出是來自哪一個輪胎中的發(fā)射檢測模塊，并執(zhí)行相應的顯示等動作。外置編碼存儲器的設計可以分為接口電路和ID存儲器兩部分：接口電路作為外置存儲器和主控制器的連接接口，根據(jù)汽車的應用環(huán)境，要考慮接口的可靠性、抗震性需要；存儲器可以采用移位存儲器(簡單、需要主控制器I／O口少、讀取速度稍慢)、矩陣存儲器(讀取速度快、占用主控制器I／O口多)或者SIM卡和IC卡(可靠性高、體積小、成本高)的形式。綜合考慮，本系統(tǒng)采用移位存儲器。工作流程為：每當安裝新輪胎或者輪胎換位，立即切換到ID讀入操作界面，將相應外置編碼存儲器插上讀取接口，進行ID的讀入工作并分配其所屬輪胎位置。讀取完畢，可以取下外置存儲器(卡)。
4 TPMS系統(tǒng)
4．1 基本原理
由安裝在輪胎內部的檢測模塊，實時測量胎內壓力、溫度，并將壓力、溫度信號通過無線方式發(fā)送出去。安裝在駕駛室內的主控模塊接收無線信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，再由顯示裝置顯示出測量結果，實現(xiàn)行駛過程中輪胎狀況的實時監(jiān)控。TPMS基本結構如圖2所示。
4．2 硬件設計方案
主控制器電路原理如圖3所示。主控制器模塊采用穩(wěn)定、可靠的微控制器C8051F531A，其內置振蕩電路和增強型的SPI接口，外擴SPI無線接收芯片MC33594和操作簡單、方便的并行液晶模塊。
檢測模塊由胎壓測量專用高集成芯片MPXY8320A微控制器和電源組成，檢測模塊電路原理如圖4所示。MPXY8320A工作在DC 2．1～3．6 V，具有低功耗的效能以延長電池壽命。MPXY8320A最大的特點是，其內部集成了8位MCU、適應載重型輪胎的壓力傳感器、溫度傳感器、供電電源電壓監(jiān)測、X-Z軸上的加速度傳感器以及RF發(fā)送模塊，所以MPXY8320A是一款專為交通工具胎壓測量而設計的高集成芯片。由于器件的高集成度，在體積上、功耗上、電磁兼容性方面都有很出色的表現(xiàn)。
5 軟件設計方案
主要軟件模塊的程序流程如圖5所示。
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