直接式TPMS輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要  著重介紹實(shí)現(xiàn)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)的電路設(shè)計(jì)和相關(guān)技術(shù)問題。TPMS系統(tǒng)由壓力傳感器模塊和中央接收機(jī)組成。壓力傳感器SPl2、微控制器和433 MHz收發(fā)一體射頻IC(nRF401)組成的壓力傳感器模塊，完成輪胎壓力的采集和發(fā)射任務(wù)。接收機(jī)接收壓力信息，并進(jìn)行處理。
關(guān)鍵詞 TPMS 輪胎壓力監(jiān)測(cè) nRF40l 射頻

    伴隨著城市交通技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)谙硎芨咚俟犯咝П憬莘绞降耐瑫r(shí)，隨之引發(fā)的交通事故率也在提高，其中由于輪胎的氣壓引起的比例高達(dá)80％，這種現(xiàn)象使得人們要對(duì)行駛中的輪胎氣壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)推出了相關(guān)法案(美國(guó)的TREAD法規(guī))，要求新車裝配中必須裝配能夠?qū)π旭傊械妮喬鈮簩?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的安全電子裝置。因此，在未來汽車上加裝輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)，也必將和ABS、安全氣囊一樣，是必然的發(fā)展趨勢(shì)。輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全天候?qū)喬ダ锏膲毫M(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎的漏氣和低壓、高壓進(jìn)行報(bào)警，使車輛始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    TPMS系統(tǒng)由輪胎壓力傳感器和接收機(jī)組成。輪胎壓力傳感器選用MicrochiP公司的PICl6F628A低功耗8位MCU，壓力傳感器選用英飛凌的SPl2，射頻IC選用N0rdic公司的nRF40l。
   
    裝在輪胎里的壓力傳感器將輪胎里的壓力、溫度信息傳送給駕駛室里的接收機(jī)，讓司機(jī)隨時(shí)了解輪胎中的氣壓情況，如圖l所示。

1.1 射頻電路
    在圖2所示的射頻信號(hào)電路中，采用挪威Nordic，公司的nRF40l器件，該器件是433 MHz ISM頻段的單片UHF無線收發(fā)IC。它采用FSK的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其最高工作速率可達(dá)20 kb，發(fā)射功率可調(diào)，最大達(dá)lO dBm。基本技術(shù)指標(biāo)如下：

    中心載頻點(diǎn)為433.92／434.23 MHz；
    最大發(fā)射功率為10 dBm
    工作電壓為2.7~5.25V；
    接收時(shí)消耗電流為250μA，發(fā)射時(shí)最大為28 mA，待機(jī)電流為8／μA。
    NRF401的ANTl和ANT2是天線的輸入／輸出復(fù)用腳。在輸入模式時(shí)，射頻信號(hào)通過將該腳連接到低噪音放大器后解調(diào)；同樣，在輸出模式時(shí)，調(diào)制的信號(hào)在功率放大后，通過該腳輸出。
    4腳為nRF401的PLL鎖相環(huán)濾波器輸入，該腳正常工作時(shí)的電壓是l.lV±0.2V。
    5腳和6腳為壓電晶振控制的外圍電路，此兩腳間接一個(gè)Q>45@433 MHz值的22μH電感。
    7腳和8腳分別為數(shù)據(jù)輸入腳和輸出腳。配合18腳PWR_UP和19腳TXEN上的電位時(shí)序完成信息的發(fā)送和接收。圖3是進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射和接收時(shí)控制各引腳操作時(shí)序圖。

    11腳外接射頻功率控制電阻。如圖2中的R3，該值在22~100kΩ之間。一般在30kΩ左右達(dá)到7 dBm。

1.2 螺旋天線的結(jié)構(gòu)
    由于天線有不同類型，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用要求來選擇。本應(yīng)用中，天線位于汽車輪轂內(nèi)。緊靠氣門嘴。在高速行駛中，天線不斷變換方向。為了盡可能擴(kuò)大接收的角度，選用螺旋天線。
   
    螺旋天線的圈數(shù)(N)、直徑(D)和圈距(S)決定了天線的增益和方向性。
    天線的總長(zhǎng)為L(zhǎng)N=NLO=Nsqit(S2+C2)這里C=xD是螺旋的園周，Lo=sqrt（S2+C2）是一圈導(dǎo)線的長(zhǎng)度。
   
     另一個(gè)重要參數(shù)是螺旋角α，它是螺旋線切線和螺旋軸垂直平面的夾角。螺旋角的定義為α=tan-1(S／C)螺旋天線有以下2
種工作模式。
    ①常態(tài)模式。在常態(tài)工作模式，天線輻射場(chǎng)在相對(duì)于螺旋軸的法線平面有極大值。對(duì)于該模式：NLo〈〈λ。
    ②軸向(端射)模式。這種工作模式只有一個(gè)主瓣，它的最大輻射強(qiáng)度沿著螺旋軸，副辦與軸間有一個(gè)傾斜角度。為激勵(lì)這種模式，其直徑D和空間3必須是波長(zhǎng)的一個(gè)大分?jǐn)?shù)。

1.3 傳感器電路
    SPl2是英飛凌公司的輪胎壓力傳感器IC，如圖4所示，通過MEMS技術(shù)集成了壓力和溫度、加速度、電壓的檢測(cè)電路，直接以數(shù)字形式輸出各物理量的示值，與外圍采用SPI協(xié)議進(jìn)行交互。

    同時(shí)內(nèi)部有兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，WAKEUP和RESET。WAKEUP每6s輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，RESET每隔約54min輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，低電子有效。

1.4 系統(tǒng)功耗
    由于要求TPMS系統(tǒng)整體靜態(tài)電流小于20μA，所以保證選用的器件必須是低功耗或超低功耗的芯片。PICl6F628A的靜態(tài)電流為0.lμA，傳感器SPl2的靜態(tài)電流為O.6μA，射頻NRF401的待機(jī)電流為8μA。
   
    經(jīng)過實(shí)測(cè)，靜態(tài)功耗Ist=Ist_mcu+Ist_sensor+ist_rf+Ist_cap=15μA。Ist_cap為鉭電容的泄露電流。動(dòng)態(tài)功耗在射頻處于連續(xù)發(fā)射的情況下，經(jīng)實(shí)測(cè)為25mA(最大值。

2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 軟件總體設(shè)計(jì)
    軟件總體分為4個(gè)運(yùn)行模式：調(diào)試模式(工廠診斷用)、初始化模式、睡眠模式(休眠)和測(cè)量模式。
(1)調(diào)試模式
    主要執(zhí)行產(chǎn)品出廠的一些內(nèi)部測(cè)試和診斷功能。體包括傳感器測(cè)試和射頻測(cè)試兩部分。
(2)初始化模式
    接收主機(jī)給定的ID碼和級(jí)別判定閥值。
（3）睡眠模式
    以最低的功耗運(yùn)行，響應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行要求。
（4）測(cè)量模式
    測(cè)量模式主要完成以下功能：
    ①定時(shí)測(cè)量輪胎壓力、溫度；
    ②壓力在不同級(jí)別區(qū)域內(nèi)有報(bào)警時(shí)，同一個(gè)級(jí)別只上報(bào)一次；
    ③壓力無變化，固定間隔時(shí)間段上報(bào)一次壓力、溫度；
    ④保證系統(tǒng)可靠性．系統(tǒng)每隔約l小時(shí)復(fù)位一次。
    ⑤不同級(jí)別報(bào)警同時(shí)出現(xiàn)，則以高溫、高壓、低壓級(jí)別的優(yōu)先級(jí)報(bào)警。
    它們的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5所示。
    系統(tǒng)上電復(fù)位的工作流程圖如圖6所示。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)的處理
    SP12是壓力傳感的IC，內(nèi)部直接處理得到的數(shù)字量，只需通過SPI物理接口，向它發(fā)送對(duì)應(yīng)的命令字和指令，就可以得到當(dāng)前輪胎的壓力、溫度、加速度等值。由于PICl6F628A無SPI模塊，這里可通過軟件來模擬SPI驅(qū)動(dòng)。達(dá)到與SP12通信的目的。

2.3 射頻數(shù)據(jù)的處理
    為了保證在惡劣的環(huán)境下收發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性，以及根據(jù)本應(yīng)用信息量小，數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，采用信息冗余的方法來保證數(shù)據(jù)可靠地接收，即連續(xù)發(fā)送相同內(nèi)容的信息。
    數(shù)據(jù)的發(fā)送處理采用MCU內(nèi)部的USART模塊。
    數(shù)據(jù)幀格式為前導(dǎo)符+同步字符+ID碼+壓力+溫度+報(bào)警位+校驗(yàn)碼。
    數(shù)據(jù)的接收處理，nRF40l在接收模式下，DOUT腳有連續(xù)的隨機(jī)信號(hào)輸入，如何高效地在字節(jié)流中篩選出發(fā)送的信息呢?這里，因?yàn)榘l(fā)送格式是固定的，故采用在中斷處理過程中用有限狀態(tài)機(jī)的方式來處理。

結(jié) 語(yǔ)
    該TPMS系統(tǒng)具有體積小，成本低，雙向金時(shí)的特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于擁有幾千萬輛汽車的國(guó)內(nèi)，將具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。這將掀起新一輪汽車壓力傳感器應(yīng)用的高潮。