射頻無線技術(shù)在TPMS中的應(yīng)用

目前的TPMS(tire pressure monitoring system)主要分為兩種類型，一種是間接式的，一種就是直接式的。而直接式的TPMS系統(tǒng)一直因其報(bào)警準(zhǔn)確性差、在無線傳輸中受到輪轂的屏蔽電磁波和磁場的干擾而影響其進(jìn)一步的發(fā)展。本文以Nordic公司生產(chǎn)的射頻芯片為基礎(chǔ)，介紹了汽車TPMS系統(tǒng)的無線收發(fā)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與解決方案，從而對上述直接式的TPMS系統(tǒng)加以改進(jìn)。

近幾年來無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)己經(jīng)成為小型工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分，此類無線數(shù)據(jù)傳輸和現(xiàn)存的有線數(shù)據(jù)傳輸以及其他無線數(shù)據(jù)傳輸相比較而言，工業(yè)監(jiān)控中的無線數(shù)據(jù)傳輸主要使用射頻(RF)技術(shù)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分都是服務(wù)于無線數(shù)據(jù)傳輸這個(gè)目的，所以在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，無線數(shù)據(jù)的傳輸部分(射頻模塊)就為最主要部分。射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱，每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流，射頻技術(shù)在無線通信領(lǐng)域具有廣泛的、不可替代的作用。

1 TPMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文中提到的TPMS系統(tǒng)是通過射頻信息的收發(fā)與相關(guān)信息的提示來完成的。在輪胎部分的主要有壓力檢測模塊與射頻發(fā)射模塊，在駕駛員部分主要有射頻接收模塊和顯示報(bào)警模塊。

壓力檢測模塊主要是實(shí)時(shí)的檢測所測輪胎的壓力數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的變化存儲到中心處理器上，等待射頻發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)射。在射頻接收模塊接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理并將數(shù)據(jù)在附件LCD上進(jìn)行顯示，并判斷數(shù)據(jù)的安全性，在發(fā)現(xiàn)輪胎的壓力超出了所能接受的范圍后通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提醒駕駛員。具體的工作原理圖如圖1所示。

2 無線收發(fā)芯片的比較與選擇

由于無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，正確的選擇可減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，將產(chǎn)品更快推向市場。選擇無線收發(fā)芯片時(shí)應(yīng)考慮需要幾點(diǎn)兇素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元器件數(shù)量、芯片成本、數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。

用來評價(jià)無線數(shù)據(jù)收發(fā)的幾項(xiàng)重要指標(biāo)有：接收靈敏度、動態(tài)范圍、選擇性、接收頻率穩(wěn)定度、發(fā)射輸比功率、效率、發(fā)射頻率范圍、功耗等因素。下面對市場上的現(xiàn)階段比較流行的三種無線收發(fā)芯片進(jìn)行了相關(guān)的性能比較，如表1所列。

對照表1以及技術(shù)指標(biāo)的表述，對于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，滿足頻段的范圍越大，靈敏度越高，在相同條什下的接收電流越小，發(fā)射電流越大，所需外圍器件越少等條件的收發(fā)芯片應(yīng)用也就越廣泛，并且可以適合于多種情況。

綜合以上考慮，nRF905的優(yōu)越性就很明顯了，所以在本設(shè)計(jì)中選擇nRF905是最適用的。

3 nRF905的簡介

無線收發(fā)芯片nRF905是挪威Nordic公司推出的一款單片無線收發(fā)一體的芯片。nRF905足一款工作在433/868/915頻段上的單片射頻收發(fā)器，因?yàn)樗褂玫氖菄H上的ISM 頻段，因此并沒有所謂的頻段限制。nRF905由完全集成的電源管理、頻率合成器、調(diào)制接收器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)節(jié)器構(gòu)成。nRF905具有ShockBurst特點(diǎn)，能夠自動處理數(shù)據(jù)包中的前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼。通過SPI接口，可以很容易地對nRF905的配置操作進(jìn)行編程。nRF905的耗電量非常低。在發(fā)射模式下，以-10dBm的輸出功率進(jìn)行發(fā)射耗電最僅為11mA;同樣的功率在接收模式下耗電量為12.5mA。而其POWERDOWN掉電模式下則可以更加省電。

3.1 nRF905的控制模式

nRF905有兩種激活模式和兩種省電模式。

激活模式包括ShockBurst RX接收模式和ShockBurst TX發(fā)射模式。省電模式包括PowerDown andSPI-programming掉電和SPI編程模式和Standby andSPI-programming待機(jī)和SPI編程模式。

TRX_CE、TX_EN和PWR的設(shè)置決定了模式的控制，具體的控制如表2所列。

3.2 單片機(jī)與nRF905的連接

nRF905與外界的通信通過一個(gè)SPI接口來進(jìn)行，速率由微控制器設(shè)置的接口速度決定。在RX模式中，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號通知MCU一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成，微控制器即可通過SPI讀取接收的數(shù)據(jù)。在TX模式中，無線通信模塊自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒信號通知MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。

這里采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的與8051完全兼容的AT89S52系列單片機(jī)，因?yàn)橐湍K進(jìn)行通信，而對模塊的控制郁是通過nRF905的SPI接口總線來進(jìn)行的，因?yàn)锳T89S52沒有專門的SPI總線，因此在這里為了和nRF905的無線模塊通信則采用單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行軟件編程模擬SPI的時(shí)序來實(shí)現(xiàn)SPI接口。這里把用來進(jìn)行模式控制的(TXEN、TRX_CE、PWR)管腳和SPI接口控制的(MISO、MOSI、SCK、CSN)管腳與單片機(jī)的P2端口對應(yīng)相連，狀態(tài)輸出的(AM、DR、CD)管腳與單片機(jī)P3端口的2到4位相連，圖2就是單片機(jī)與nRF905模塊的簡單的電路連接。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 SPI接口檢驗(yàn)

因?yàn)閷RF905的控制都是通過內(nèi)置的SPI總線來進(jìn)行的，所以在進(jìn)行總的程序設(shè)計(jì)前必須確保單片機(jī)等操作系統(tǒng)能夠通過I/O口的模擬SPI總線與nRF905內(nèi)部進(jìn)行通信。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)用來檢驗(yàn)SPI接口的程序部分。因?yàn)閚RF905模塊內(nèi)部有一個(gè)配置寄存器，可以通過SPI對其進(jìn)行寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)的操作，比較前后結(jié)果是否一樣還判斷SPI操作的正確性。

如果通過程序操作所得到的數(shù)組數(shù)據(jù)與寫入的數(shù)據(jù)完全相同的話，那么便可以說明進(jìn)行此操作的nRF905模塊的SPI接口一切均正常。

4.2 無線射頻通信的程序設(shè)計(jì)

這個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)部分就足無線射通信部分，當(dāng)采集得到輪胎的壓力后，是否能夠快速的把數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸是TPMS系統(tǒng)的是否能正常工作的前提和保證。

無線射頻通信分為輪胎部位的發(fā)射部分和駕駛室的接收部分。

當(dāng)nRF905模塊進(jìn)行發(fā)送操作時(shí)，其主控單元(本系統(tǒng)中為單片機(jī))通過SPI接口把接收節(jié)點(diǎn)的地址和有效數(shù)據(jù)傳送到nRF905模塊。

發(fā)送模式的nRF905模塊內(nèi)部將完成：

(1) 無線系統(tǒng)自動上電;

(2) 數(shù)據(jù)包完成(加前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼)：

(3) 數(shù)據(jù)包發(fā)送(100kbit/s、GFSK、曼徹斯特編碼)。

為了保持系統(tǒng)通信的可靠性，本系統(tǒng)對nRF905的發(fā)射部分采用無線數(shù)據(jù)重發(fā)的工作原理，所以這里將TRX_CE設(shè)置為一直為高電平。具體的發(fā)射流程圖如圖3所示。

本系統(tǒng)中的接收部分的主要任務(wù)就是不斷的檢測空中的與本身射頻頻率相同的射頻電磁波，當(dāng)接收到電磁波后，對應(yīng)的CD、AM、DR位按先后順序分別置1，進(jìn)而開始讀寫程序。

當(dāng)開始檢測空是的射頻電磁波后，經(jīng)過三個(gè)過程：

(1) 載波檢測CD被置高;

(2) 地址匹配AM被置高;

(3) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR被置高。

DR的置高就意味著數(shù)據(jù)己經(jīng)接收到并且保存到了nRF905模塊的內(nèi)部寄存器中，下面要做的工作就是在SPI接口操作模式下對nRF905模塊進(jìn)行一定速率的讀數(shù)據(jù)，再將所有的數(shù)據(jù)都讀寫完畢后復(fù)位AM、DR位為零，以保證下次接收數(shù)據(jù)的正常進(jìn)行，具體的接收流程圖如圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)與仿真

這里的nRF905與單片機(jī)的通信是通過SPI接口采用按位通信的方式來進(jìn)行的，因此在接收的時(shí)候?qū)PI的對應(yīng)管腳進(jìn)行相應(yīng)的波形測試應(yīng)該呈現(xiàn)的是方波，通過電腦來模擬輪胎的壓力傳感器的傳輸數(shù)據(jù)，來觀察波形為圖5所示。

從圖中可以看出，系統(tǒng)在進(jìn)行通信的過程中完全正確，并且電磁波的強(qiáng)度很強(qiáng)，完全可以達(dá)到通信的目的。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了射頻無線通信方式建立TPMS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對汽車輪胎的壓力與溫度的實(shí)時(shí)檢測。本系統(tǒng)采用了目前廣泛流行的射頻通信技術(shù)，并在此環(huán)境下進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，適應(yīng)了今后短距離的通信發(fā)展趨勢。系統(tǒng)整體可靠性高，穩(wěn)定性好，成本低，利于移植，方便添加其他功能。如果能夠得到真正的應(yīng)用，那么市場前景將會很好。