汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)應用設計

引 言
    隨著汽車越來越多地進入家庭，汽車行駛的安全問題也成為人們越來越關注的話題。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)由此應運而生，它是繼ABS、安全氣囊后第3個重要的汽車安全電子產(chǎn)品，主要用于在汽車行駛過程中對輪胎氣壓、溫度進行實時自動監(jiān)測，并對出現(xiàn)的異常情況進行實時報警，是駕車者和乘車人員的生命安全保障預警系統(tǒng)。
    目前TPMS的實現(xiàn)形式主要有兩種：基于車輪轉(zhuǎn)速的TPMS(Wheel-Speed Based TPMS)，又叫“間接式TPMS”；基于壓力傳感器的TPMS(Pressure-SensorBased TPMS)，又叫直接式TPMS”。間接式TPMS是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器比較車輪之間的轉(zhuǎn)速差別，來確定輪胎壓力的變化，這種方式現(xiàn)在用得不多。直接式TPMS是在每個輪胎內(nèi)使用壓力傳感器和溫度傳感器，然后把采集到的壓力和溫度信號通過有線或無線的方式傳送到汽車駕駛室內(nèi)的主控制器進行處理，目前大多數(shù)TPMS采用無線的方式進行壓力和溫度數(shù)據(jù)的傳送。現(xiàn)在直接式TPMS用得比較廣泛。在這種方式中，輪胎內(nèi)輪胎模塊一旦裝上，電池就不斷地工作，因此輪胎模塊低功耗和車輪高速轉(zhuǎn)動時射頻接收靈敏度以及噪聲抑制就成為系統(tǒng)設計的關鍵問題。在此原則之下，本文提出了一種新的TPMS設計方法。實驗結(jié)果表明：所開發(fā)的系統(tǒng)工作可靠，能夠達到安全預警的目的。

1 總體設計及主要元器件選擇
    輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)的工作是通過射頻收發(fā)來實現(xiàn)的，由輪胎模塊和監(jiān)視器模塊組成。圖1為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

1．1 輪胎模塊
    輪胎模塊由傳感器、微處理器、發(fā)射芯片、電池和天線組成。因為此模塊要嵌入到輪胎內(nèi)，所以模塊的超小型和節(jié)電設計是最關鍵的問題。
1．1．1 傳感器
    傳感器選擇Motorola公司的壓力／溫度傳感器MPXY8020A。它是一種表面微機械型電容性微機電系統(tǒng)(MSMS)壓力傳感器。其特點有：專門的TPMS氣壓和溫度傳感器、CMOS工藝、低功耗、3 V工作電壓、帶有MCU喚醒功能的集成低頻振蕩器、8位數(shù)字輸出；全部功能集成在單一芯片上，降低了功耗，適合條件要求苛刻的電池供電系統(tǒng)；測壓范圍為一40℃～+125℃，測溫范圍
為0～637 kPa；它具有4種工作模式，即待機／復位、壓力測量、溫度測量和數(shù)據(jù)輸出。用戶可以通過設置S0和S1引腳選擇相應的模式，如表1所列。由表1可以發(fā)現(xiàn)，MPXY8020A在不同的工作模式下，需要的工作電路不同，從而達到降低功耗的目的。
1．1．2 微處理器
    微處理器選擇。Micro-chip公司的：PIC16F636。其主要特點有：
    ①高性能RISC技術。僅需學習35條指令，這給程序的編寫、調(diào)試、修改帶來極大的便利，便于軟件模擬SPI串口及開漏極引腳。
    ②極低的功耗水平。在1 MHz時鐘頻率下工作電流約為100μA，而在休眠情況下的典型工作電流僅為1 nA。
    ③工作溫度范圍寬。汽車級溫度范圍為一40℃～125℃。
    ④徹底的保密性。PIC以保密熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，其他人再也無法讀出，除非恢復熔絲。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復熔絲的可能性極小。
    ⑤自帶看門狗定時器。為系統(tǒng)提供了惡劣環(huán)境下自復位的功能，提高程序運行的可靠性。
1．1．3 發(fā)射芯片
    發(fā)射芯片選擇Maxim公司的MAX1479。其特點有：采用微型3 mm×3 mm的16引腳QFN封裝，3 V工作電壓，汽車級溫度范圍(一40℃～十125℃)、快速開啟振蕩器(200μs)、自帶鎖相環(huán)PLL和高效功率放大器，支持ASK、OOK和FSK調(diào)制方式，超低功耗(常溫下待機電流僅為0．2 nA)，可調(diào)節(jié)的FSK偏移，可編程的時鐘輸出。
1．2 監(jiān)視器模塊
    監(jiān)視器模塊主要由接收芯片、微處理器、LCD顯示器和按鍵組成。
1．2．1 接收芯片
    接收芯片選擇Motorola公司的MC33594(Remeo2)，它是一個單片集成射頻接收器。其特點有：采用LQFP24封裝，快速喚醒(1 ms)，內(nèi)含660kHz的中頻帶通濾波器，完整的壓控振蕩器(VCO)，可消除鏡像的混頻器，自動對接收到的曼徹斯特編碼解碼(FSK工作模式)，曼徹斯特編碼時鐘再生電路，SPI接口，可用于設計433．92 MHz的OOK／FSK接收電路。
1．2．2 微處理器
    監(jiān)視器模塊的微處理器選擇Motorola公司的48腳MC68HC908GZ16(簡稱“GZ16”)。它是Freescale公司的一款采用68HC08架構(gòu)的8位微控制器，資源齊全，尺寸小，適合監(jiān)控器模塊的功能要求以及汽車的運行環(huán)境。其主要資源包括：1個CAN模塊、1個SPI模塊、1個ESCI模塊、2個雙通道16位定時器接口模塊、8路10位A／D通道、1個基本時鐘模塊、37個通用輸入輸出引腳、8位鍵盤喚醒端口。該控制器采用PLL鎖相環(huán)技術，能夠產(chǎn)生最高8MHz的總線頻率。
1．2．3 LOD顯示器
    LCD顯示器選擇三星公司的點陣式液晶顯示器LG192641。它具有如下特點：192×64點陣，可視區(qū)范圍大(外形尺寸113．0 mm×71．0 mm×9．5 mm，可視區(qū)為97．0 mm×48．0 mm)，內(nèi)置液晶控制驅(qū)動器，單5 V供電／雙電源供電可選，工作溫度范圍寬(-20℃～+70℃)，采用LED背光且EL背光可選，強光下顯示效果好。

2 硬件電路設計
2．1 輪胎模塊電路
    圖2所示為輪胎模塊電路原理圖。模塊安裝在輪胎氣門芯上，由3 V鋰電池供電。射頻芯片的晶振頻率為13．56 MHz，發(fā)射方式為FSK，RF頻率為433．92 MHz。PIC16F636使用內(nèi)部晶振，抗干擾能力強。采用曼徹斯特編碼提高數(shù)據(jù)發(fā)射的可靠性。晶振頻率的計算公式為

2．2 監(jiān)視器模塊電路
    圖3所示為中央接收處理模塊的電路原理。數(shù)據(jù)管理器支持MC33594與GZ16控制器通信，可以鍵盤輸入輪胎壓力的閾值，各個輪胎的壓力值與溫度值通過液晶顯示更加直觀。當輪胎充氣壓力出現(xiàn)異常時，蜂鳴器與發(fā)光二極管進行聲光報警，由液晶屏上相應的輪胎圖像閃爍提示。

3 軟件設計
    輪胎模塊是一個對功耗極其敏感的系統(tǒng)。它采用體積和重量都受限制的電池供電，且電池的更換和輪胎模塊的更換都很不方便，所以在進行軟件設計時，如何優(yōu)化輪胎模塊的程序算法來降低系統(tǒng)的功耗成為本設計重點需要解決的問題。 
    監(jiān)視器模塊采用汽車蓄電池供電，功耗不是主要問題。其軟件設計的主要任務是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確處理、直觀顯示和異常報警。
3．1 通信協(xié)議
    為了實現(xiàn)輪胎模塊和監(jiān)視器模塊之間的單向無線數(shù)據(jù)通信，必須制定一組通信雙方都遵守的通信協(xié)議。
3．1．1 數(shù)據(jù)載波波形
    本設計中，TPMS的信號采用曼徹斯特編碼，調(diào)制方式為FSK。它的“1”和“0”位對應的頻率變化如圖4所示(fdev為頻率偏移值)。

3．1．2 數(shù)據(jù)幀格式
    輪胎模塊將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送給監(jiān)視器模塊。接收端MC33594規(guī)定，當采用FSK調(diào)制時，數(shù)據(jù)幀的組成是：4位前同步(preamble)碼、8位ID，又是4位前同步碼(MC33594規(guī)定在報頭前面必須有4位前同步碼)、4位報頭(Header)、用戶數(shù)據(jù)和2位結(jié)束碼(EOM)。其中，前同步碼規(guī)定為4位連續(xù)曼徹斯特編碼的“1”或“0”，用來恢復同步時鐘；ID和報頭的數(shù)值是可設定的，由MCU預先寫人MC33594的配置寄存器中(本設計預設的ID為十六進制數(shù)B8，報頭為“0110”)；報頭標識用戶數(shù)據(jù)的開始，用戶數(shù)據(jù)緊跟其后，沒有任何延遲；EOM由2位非歸零編碼(NRZ)的連續(xù)的“1”或“0”組成。用戶數(shù)據(jù)前面的20位碼串是由射頻接收芯片規(guī)定的，稱為“前導碼”。本設計的前導碼為十六進制FB8F6。數(shù)據(jù)幀發(fā)送必須由EOM結(jié)束，而不能簡單地將射頻信號終止。鑒于輪胎的壓力和溫度值可能長時間處于基本不變的狀態(tài)，在這種情況下發(fā)送溫度、壓力值的必要性不大，因此本設計采用了長、短幀結(jié)合的數(shù)據(jù)發(fā)送方案。具體幀格式如下：

3．2 輪胎模塊的程序設計
    在輪胎模塊主程序設計中，充分利用PIC16F636的低功耗模式中STOP模式是低功耗算法設計的關鍵。PIC16F636上電復位并進行初始化后進入待機模式(即STOP模式)。
    上電復位后，首先設置傳感器工作在STANDBY模式下，然后MAX1479進入STOP模式。在此種模式下，OUTPUT引腳每3 s輸出一次下降沿，觸發(fā)PIC16F636的外部中斷，從而喚醒PIC16F636，使其脫離STOP狀態(tài)，進入中斷服務程序。在中斷服務程序中進行數(shù)據(jù)采集和發(fā)射控制處理。如果采集值是一個新的最大或最小值(處于發(fā)送周期內(nèi))就存入RAM，否則就把計數(shù)器加1再返
回停止模式。在連續(xù)10次喚醒后(30 s)，模塊把它的狀態(tài)發(fā)送給接收機。模塊分析存儲的胎壓最大值和最小值間的差異，如果這個差值超過了存儲在ROM中的最大差值(△max)，模塊就進入快速發(fā)送模式，每隔800～900 ms發(fā)送255個數(shù)據(jù)幀。MAX1479使用曼徹斯特編碼方式來發(fā)送射頻數(shù)據(jù)。發(fā)射完成之后再重新允許外部中斷，讓傳感器進入STANDBY模式，PIC16F636、MAX1479 同時進入STOP模式，以降低功耗，延長電池的使用壽命。PIC16F636工作在內(nèi)部晶振模式下，可以增加其抗干擾能力。傳感器的RST信號每隔52 min復位1次PIC16F636，以進一步提高系統(tǒng)的工作可靠性。輪胎模塊主程序流程如圖5所示。

3．3 監(jiān)視器模塊的程序設計
    監(jiān)視器模塊的程序要實現(xiàn)的主要功能是：監(jiān)視器模塊的初始化；對射頻接收芯片的控制；對接收到的輪胎狀態(tài)信息進一步的數(shù)據(jù)處理(包括數(shù)據(jù)顯示、異常狀態(tài)報警等)以及人機界面的參數(shù)設定。監(jiān)視器模塊主要包括主程序設計、數(shù)據(jù)接收子程序設計和人機界面程序設計3個部分。
    監(jiān)視器模塊的主程序流程如圖6所示。GZ16內(nèi)部的時基模塊(TBM)能夠產(chǎn)生周期中斷。微處理器對收到的各輪胎模塊數(shù)據(jù)進行確認，在每次TBM中斷時驗證是否收到輪胎模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，如果收到就清除報警標志位。當長時間沒有收到某輪胎模塊的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)接收超時標志將置位，從而觸發(fā)報警程序，提醒駕駛員主機不能正常接收該輪胎模塊信息。

結(jié) 語
    本文提出了一種新的直接式TPMS解決方案，并在實際開發(fā)的基礎上，介紹了系統(tǒng)的工作原理；給出了具體的硬件、軟件設計。通過裝車實驗證明，該系統(tǒng)功耗低、可靠性高，穩(wěn)定性好，成本低，具有較高的應用價值，正籌劃進行產(chǎn)品生產(chǎn)。