基于射頻芯片nRF905的汽車TPMS系統(tǒng)設(shè)計

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)計與解決方案，從而對上述直接式的TPMS系統(tǒng)加以改進。  


1 TPMS系統(tǒng)的設(shè)計



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警模塊。

壓力檢測模塊主要是實時的檢測所測輪胎的壓力數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行相應(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)進行相應(yīng)的處理并將數(shù)據(jù)在附件LCD上進行顯示，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行報警提醒駕駛員。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)芯片時應(yīng)考慮需要幾點兇素：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)傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼等。

用來評價無線數(shù)據(jù)收發(fā)的幾項重要指標(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)計中選擇nRF905是最適用的。 [!--empirenews.page--]

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，因為所使用的是國際上的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，能夠自動處理數(shù)據(jù)包中的前導(dǎo)碼和CRC校驗碼。通過SPI接口，可以很容易地對nRF905的配置操作進行編程。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 單片機與nRF905的連接

nRF905與外界的通信通過一個SPI接口來進行，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，因為要和模塊進行通信，而對模塊的控制郁是通過nRF905的SPI接口總線來進行的，因為AT89S52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的I／O端口進行軟件編程模擬SPI的時序來實現(xiàn)SPI接口。這里把用來進行模式控制的(TXEN、TRX_CE、PWR)管腳和SPI接口控制的(MISO、MOSI、SCK、CSN)管腳與單片機的P2端口對應(yīng)相連，狀態(tài)輸出的(AM、DR、CD)管腳與單片機P3端口的2到4位相連，圖2就是單片機與nRF905模塊的簡單的電路連接。

 

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 SPI接口檢驗

因為對nRF905的控制都是通過內(nèi)置的SPI總線來進行的，所以在進行總的程序設(shè)計前必須確保單片機等操作系統(tǒng)能夠通過I／O口的模擬SPI總線與nRF905內(nèi)部進行通信。因此本系統(tǒng)設(shè)計了一個用來檢驗SPI接口的程序部分。因為nRF905模塊內(nèi)部有一個配置寄存器，可以通過SPI對其進行寫數(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

這個系統(tǒng)的重點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模塊進行發(fā)送操作時，其主控單元(本系統(tǒng)中為單片機)通過SPI接口把接收節(jié)點的地址和有效數(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。
 

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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)的正常進行，具體的接收流程圖如圖4所示。
 

5 實驗與仿真

這里的nRF905與單片機的通信是通過SPI接口采用按位通信的方式來進行的，因此在接收的時候?qū)PI的對應(yīng)管腳進行相應(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)在進行通信的過程中完全正確，并且電磁波的強度很強，完全可以達到通信的目的。

在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用了射頻無線通信方式建立TPMS系統(tǒng)，實現(xiàn)了對汽車輪胎的壓力與溫度的實時檢測。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。