基于射頻收發(fā)芯片CC1100的TPMS方案

0 引言 
    汽車工業(yè)的發(fā)展帶動汽車配備用品行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)升級。其中，繼安全氣囊、ABS（防抱死制動系統(tǒng)）后，國際汽車領(lǐng)域出現(xiàn)的TPMS（汽車胎壓檢測系統(tǒng)），被譽為新一代汽車高科技安全配備用品。在汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計，在高速公路上發(fā)生的交通事故有70％～80％是由于爆胎引起的。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。據(jù)有關(guān)專家分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。 

    國外自20世紀(jì)70年代末開始研究輪胎氣壓監(jiān)測裝置，歸納起來，主要分為兩種類型：一種是基于車輪速度的（間接式）；另一種是基于壓力傳感器的（直接式）?，F(xiàn)在美國及歐洲一些國家已將TPMS作為汽車必裝設(shè)備。我國TPMS的研究雖然起步較晚，但在2003年11月24日頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)——《機動車運行安全技術(shù)條件（征求意見稿）》中，對安裝輪胎壓力檢測裝置作出了說明，可見我國已開始重視TPMS的發(fā)展。 

    本文提出的TPMS采用模塊化的設(shè)計，規(guī)范化的編程，其核心部分是將采集到的溫度壓力數(shù)據(jù)通過無線方式進(jìn)行發(fā)送和接收。利用Chipcon公司生產(chǎn)的無線收發(fā)芯片CC1100能很好地解決這一問題，它支持ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，功耗低，無需申請頻點，傳輸可靠。 

1、輪胎工作特性及TPMS技術(shù)要求 
    輪胎由橡膠和骨架材料制成，裝于輪胎毅的外側(cè)，支承汽車重量，吸收和緩和沖擊與振動，并使汽車與地面保持良好的附著性能，從而有效地傳遞汽車的驅(qū)動力矩或制動力矩。輪胎的工作特性對汽車的安全行駛影響很大。 

    影響輪胎正常工作特性的因素主要有： 
a）輪胎溫度過高。由于環(huán)境氣溫過高，以及輪胎在高速旋轉(zhuǎn)時與地面的摩擦，都有可能導(dǎo)致輪胎溫度過高，從而使橡膠老化，縮短了輪胎的使用壽命。 

b）輪胎內(nèi)部氣壓過大或欠壓。當(dāng)汽車負(fù)載過高或者溫度過高而引起胎內(nèi)氣體膨脹時，都會導(dǎo)致輪胎內(nèi)部氣壓過大而發(fā)生爆胎現(xiàn)象。 

c）輪胎漏氣導(dǎo)致欠壓，也會增大輪胎和地面的摩擦，不僅耗油，還會縮短輪胎的使用壽命。 

    輪胎的機械性能主要是通過輪胎內(nèi)部的溫度和壓力反映出來，因此，TPMS只要能夠?qū)崟r地檢測到輪胎內(nèi)部的溫度和壓力情況，就可以分析出輪胎的運行狀況。 

    由于TPMS發(fā)射系統(tǒng)處于輪胎的封閉狀態(tài)中，因此，系統(tǒng)的主要技術(shù)要求如下： 

a）考慮到安裝并采用紐扣電池供電等問題，采樣發(fā)射端應(yīng)體積小、功耗低。 
b）系統(tǒng)能識別本各采樣發(fā)射端發(fā)來的溫度、壓力測量值。 
c）系統(tǒng)能濾除別的汽車發(fā)來的任何數(shù)據(jù)。 
d）接收端能對各采樣發(fā)射端發(fā)來的溫度、壓力測量值實時顯示，并能進(jìn)行越限報警。 

2、TPMS原理與硬件設(shè)計 
2.1 TPMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 
    TPMS由采樣發(fā)射模塊和接收模塊構(gòu)成。采樣發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，接收模塊安裝在車廂內(nèi)。采樣發(fā)射模塊對壓力傳感器檢測的氣壓和溫度信號進(jìn)行采樣，由MCU（微控制單元）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理后送給射頻發(fā)射電路，信號經(jīng)調(diào)制后發(fā)射給接收模塊。接收模塊的解調(diào)電路將發(fā)射模塊發(fā)射出來的射頻信號放大解調(diào)后，將數(shù)字信號送給MCU。MCU作出相應(yīng)的處理，如更新當(dāng)前壓力值、聲光報警等，從而實現(xiàn)輪胎壓力的顯示和監(jiān)控。由傳感器、MCU、發(fā)射、接收等主要芯片組成的TPMS結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)總體布局如圖2所示。 

2.2系統(tǒng)功能與總體設(shè)計 
    TPMS采樣發(fā)射模塊工作在劇烈振動、環(huán)境溫差變化很大和不便于隨時檢修的條件下。因此，要求所有的器件有很高的可靠性和穩(wěn)定性，能適應(yīng)寬的溫度范圍和劇烈的震動。為了縮小TPMS采樣發(fā)射模塊的體積、節(jié)省功耗和增強功能，需要選用功耗低，功能強的芯片。 

    為了延長TPMS采樣發(fā)射模塊電池的使用壽命，使其能工作3～5年，系統(tǒng)節(jié)電是一個十分重要的課題。只有在大多數(shù)時間系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，才能省電與延長電池壽命。 

系統(tǒng)的主要功能如下： 
a）實時監(jiān)測各輪胎的溫度、壓力情況。 
b）當(dāng)某個輪胎的壓力過高、過低時報警。  
c）輪胎保養(yǎng)換位時，各輪胎采樣發(fā)射模塊的位置編號可重新設(shè)定。 
d）可顯示各輪胎當(dāng)前壓力值、溫度值。 

    安裝采樣發(fā)射模塊時，將5個模塊逐個開啟工作，進(jìn)行注冊。接收端接收到采樣發(fā)射模塊發(fā)來的未注冊的ID（識別碼）編碼后實施注冊，并由人工設(shè)置相應(yīng)的輪胎編號。接收端的MCU將ID與輪胎編碼存儲在E2PROM中，供正常工作時使用。 

    若輪胎中模塊失效后，可以將要變更的采樣發(fā)射模塊ID從主機接收模塊中刪除后重新注冊。輪胎保養(yǎng)換位后可以在主機接收模塊中重新設(shè)置輪胎編碼。 

    由于各采樣發(fā)射模塊ID的非重復(fù)性，可以有效地避免同一車輛的5個輪胎采樣發(fā)射模塊之間或不同車輛采樣發(fā)射模塊之間的互相干擾。 

    汽車行駛時，接收模塊中振動傳感器檢測到汽車振動信號，TPMS被激活。主機通過收發(fā)芯片發(fā)送命令將采樣發(fā)射模塊從休眠中喚醒。采樣發(fā)射模塊將輪胎內(nèi)部的溫度與壓力值經(jīng)打包后發(fā)送出來。接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)包中的ID與存儲在主機E2PROM中的ID及輪胎編碼進(jìn)行比對，以確定是哪個輪胎的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲與顯示。當(dāng)輪胎的壓力過高或過低時，進(jìn)行報警。汽車停止時，振動傳感器檢測不到振動信號，TPMS便進(jìn)入休眠狀態(tài)。汽車停止時，若想知道輪胎內(nèi)部的溫度與壓力值，駕駛員可通過按鍵激活TPMS，讀取輪胎當(dāng)前壓力、溫度值。 

2.3無線采樣發(fā)射模塊設(shè)計 
    由SP12、ATmega48（以下簡稱AT48）和CC1100構(gòu)成采樣發(fā)射模塊。SP12是一種壓力傳感器。測量范圍100 kPa～4 500 kPa，內(nèi)部具有A／D和SPI（串行外設(shè)接口），可以方便地在TPMS中應(yīng)用。SP12為14引腳貼片封裝，不需要其他的外部器件。 

    AT48是ATMEL公司生產(chǎn)的基于AVR增強型RISC（精簡指令集計算機）結(jié)構(gòu)的極低功耗8位CMOSMCU。正常模式為：1 MHz，1.8 V／300μA；32 kHz，1.8 V／20μA（包括振蕩器）；掉電模式為：1.8 V／0.5μA。 

    CC1100是一種低成本的基于Chipcon′Smart RF（射頻）技術(shù)的單片可編程UHF收發(fā)芯片，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。其工作頻段靈活，可以設(shè)定在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）和SRD頻段。功耗低（接收電流小于16 mA，發(fā)射電流小于30 mA，休眠時電流小于10 μA，且支持ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。CC1100的主要工作參數(shù)能通過SPI接口編程改變，這樣使CC1100使用起來更靈活。 

    采樣發(fā)射模塊電路設(shè)計如圖3所示。傳感器SP12將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給AT48，AT48將數(shù)據(jù)通過SPI口送給CC1100，再由CC1100轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主機接收模塊。 

    模塊發(fā)射頻率由發(fā)射芯片CC1100的晶振及外部元件決定，本系統(tǒng)選擇發(fā)射頻率433 MHz，這時引腳8和引腳10接26 MHz晶振。C2為（3.9±0.25）pF，C3為（3.9±0.25）pF，C4為（8.2±0.5）pF，C5為（5.6±0.5）pF，C6為220pF±5％，C7為220pF±5％，L2為27nH±5％，L3為27nH±5％，L4為22nH±5％，L5為27nH±5％。電阻R2用來設(shè)置一個精確的偏置電流。C3、C2、L2和L3形成一個平衡轉(zhuǎn)換器，用以將CC1100上的微分RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號。CC1100支持振幅、頻率和移相調(diào)制格式，可以通過寄存器MDM-CF2.MOD_FORMAT進(jìn)行配置。 

    通過設(shè)置CC1100寄存器WORCTRL將其配置為WOR（電磁波激活）方式，并設(shè)置寄存器位MCS1.RX-OFF_MODE。當(dāng)采樣發(fā)射模塊接收到有效數(shù)據(jù)包后，CC1100被激活并進(jìn)入發(fā)射模式同時喚醒AT48。 

2.4無線接收模塊設(shè)計 
    接收電路由無線收發(fā)芯片CC1100和AT48組成，如圖4所示。

    CC1100和AT48通過SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在接收狀態(tài)時，由SCLK作為同步時鐘，CC1100收到有效的數(shù)據(jù)信息，將數(shù)字信號送給AT48的SPI口。AT48將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎的溫度和壓力值，然后作出相應(yīng)的處理，如更新當(dāng)前溫度和壓力值、聲光報警等。在接收之前，AT48通過對SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDR寫相關(guān)數(shù)據(jù)，對CC1100進(jìn)行初始化和配置相應(yīng)寄存器，然后等待接收數(shù)據(jù)。 

3、軟件設(shè)計 
3.1系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 
    接收模塊和采樣模塊采用主從方式，接收模塊可看做是主設(shè)備，輪胎內(nèi)部的采樣模塊是從設(shè)備。為實現(xiàn)采樣發(fā)射模塊與接收模塊之間可靠的無線通信，兩者之間必須以一定的協(xié)議進(jìn)行。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包括協(xié)調(diào)器、FFD（全功能器件）和RFD（簡化功能器件），并支持星形網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。考慮到普通小轎車有4個輪胎和1個備用輪胎，每個輪胎內(nèi)的采樣發(fā)射模塊作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的1個子節(jié)點，子節(jié)點之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，只與車廂內(nèi)的接收模塊進(jìn)行通信，因而選用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。RFD子節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以幀的形式傳送給接收端，再由接收端主機對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后顯示出來。圖5是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀格式。 

3.2軟件設(shè)計 
    采樣發(fā)射模塊與接收模塊（主機）間的通信模式如圖6所示。 

   
    采樣發(fā)射模塊向接收模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示。 

3.2.1采樣發(fā)射模塊程序流程 
    采樣發(fā)射模塊的主程序流程如圖8所示。當(dāng)CC1100檢測到喚醒命令時被激活，并喚醒MCU。MCU配置CC1100進(jìn)入發(fā)射模式。MCU采集傳感器檢測到輪胎內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，由CC1100發(fā)往主機。發(fā)送成功后，CC1100和MCU則重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。寄存器配置如表1所示。 

3.2.2接收模塊程序流程  
    接收模塊的程序流程如圖9所示。 

    接通電源后，AT48先進(jìn)行初始化，再對CC1100進(jìn)行配置。當(dāng)MCU檢測到振動信號時，給采樣發(fā)射模塊發(fā)送激活命令。發(fā)送命令成功后，立刻進(jìn)入接收模式，若CC1100接收狀態(tài)準(zhǔn)備好，則可以接收數(shù)據(jù)。若接收到的數(shù)據(jù)是有效的，則將接收到的ID與存儲在單片機E2PROM中的ID碼進(jìn)行比較，如果與其中的某個ID相匹配則數(shù)據(jù)就被處理并保存。當(dāng)檢測到溫度、壓力值偏離正常值則進(jìn)行報警，提醒駕駛員注意。駕駛員也可通過顯示器察看當(dāng)前檢測到的輪胎內(nèi)部的溫度和壓力值。 

    具體實現(xiàn)程序段如下： 

4、結(jié)束語 
    本文提出的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線收發(fā)芯片CC1100的TPMS，充分利用無線收發(fā)芯片CC1100、AT48和傳感器SP12的特性，采用低功耗、低復(fù)雜度的ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為通信協(xié)議，在電磁波激活模式下，發(fā)送數(shù)據(jù)包成功后CC1100可以進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，大大降低了模塊功耗。每個輪胎都設(shè)置了固定的ID碼以避免外界的干擾，駕駛員可以在駕駛室手動讀取任何一個輪胎的溫度、壓力值，實時監(jiān)測輪胎狀況，預(yù)防輪胎故障。該系統(tǒng)的實現(xiàn)為防止汽車爆胎提供了一個有效的途徑。