TPMS中無(wú)線接口電路的設(shè)計(jì)

　　引 言

　　汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)主要用于汽車行駛時(shí)對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè),對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警,以保障行車安全。就TPMS系統(tǒng)構(gòu)造而言,其采集的溫度壓力數(shù)據(jù)需要通過一種無(wú)線方式進(jìn)行發(fā)送和接收,而且該收發(fā)電路要安裝在輪胎里。這就必須要求其組成電路的芯片能夠耐高溫。要解決這兩個(gè)問題,可以利用Motorola公司研制的發(fā)射芯片MC33493和接收芯片MC33594。該兩款芯片都達(dá)到了汽車級(jí)溫度(發(fā)射芯片為125℃,接收芯片為105℃)完全可以解決耐高溫的問題,且工作性能極好。它們與單片機(jī)一起構(gòu)成的接口電路成為TPMS系統(tǒng)中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分。

　　1 TPMS系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1系統(tǒng)工作原理

　　TPMS系統(tǒng)主要由安裝在汽車輪胎內(nèi)的壓力、溫度傳感器,信號(hào)處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊,安裝在汽車駕駛臺(tái)上的包括數(shù)字信號(hào)處理單元的RF接收器以及LCD組成。

　　一般情況下,一輛轎車需要4個(gè)TPMS發(fā)射模塊和1個(gè)TPMS接收器;而一輛卡車需要6～12個(gè)TPMS發(fā)射模塊。為了提高系統(tǒng)的接收能力和抗干擾能力,系統(tǒng)安裝時(shí)需要在汽車底盤安裝接收天線。由SP12傳感器、微控制器、MC33493發(fā)射模塊、MC33594接收模塊等主要芯片組成的TPMS系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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　　圖1中,溫度壓力傳感器將采集到的溫度壓力數(shù)據(jù)通過I2C總線或RS232接口送到單片機(jī),單片機(jī)發(fā)送一使能信號(hào)ENABLE給發(fā)射器。當(dāng)為高電平時(shí),發(fā)射機(jī)開始工作,產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)給單片機(jī),用于信號(hào)的同步。此時(shí),單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給發(fā)射機(jī),發(fā)射機(jī)將得到的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去。接收機(jī)通過天線接收到信號(hào)后,首先置RESET引腳(用于設(shè)置主從模式)為一低電平,此時(shí)微控制器為主機(jī),通過MOSI線來設(shè)置作為從機(jī)的接收器內(nèi)的寄存器,設(shè)置好以后置RESET腳為高電平。此后微控制器為從機(jī),而接收器就變?yōu)橹鳈C(jī)。它產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),通過MOSI線將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。此時(shí)單片機(jī)(帶有SPI接口)通過SPI接口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的連接,以達(dá)到在PC機(jī)上顯示報(bào)警的作用。

　　1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)考慮

　　①由于TPMS發(fā)射模塊工作在劇烈振動(dòng)、環(huán)境溫差變化大和不便于即時(shí)檢修的條件下,因此要求所有的器件要有很好的可靠性和穩(wěn)定性,能適應(yīng)工作在-40～+125℃溫度范圍。為了縮小TPMS發(fā)射模塊的體積、節(jié)省功耗和增強(qiáng)功能,需要盡可能地選用具有多種功能的小型射頻收發(fā)芯片。

　　②隨著能源問題越來越被重視,系統(tǒng)節(jié)能成為本設(shè)計(jì)考慮的一個(gè)重點(diǎn)問題。為了提高TPMS發(fā)射模塊在一節(jié)鋰電池下的工作時(shí)間,應(yīng)該在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。喚醒TPMS系統(tǒng)中的發(fā)射部分,可采用這樣一種方法：在傳感器模塊中增加加速度傳感器,利用其對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性,實(shí)現(xiàn)汽車啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)開機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)自檢;汽車高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)間周期,利用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期,以逐漸縮短巡回檢測(cè)周期和提高預(yù)警能力。喚醒TPMS系統(tǒng)的接收部分,可以利用接收機(jī)的一個(gè)引腳STROBE。在一個(gè)周期內(nèi),當(dāng)檢測(cè)到有效的ID時(shí),STROBE置高電平,此時(shí)接收芯片就由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。

　　2 系統(tǒng)硬件組成及電路設(shè)計(jì)

　　2. 1 TPMS系統(tǒng)主要硬件組成

　　TPMS系統(tǒng)主要由TPMS傳感器、微控制器和無(wú)線射頻收發(fā)模塊幾個(gè)部分組成。

　　(1) TPMS傳感器

　　TPMS傳感器是一個(gè)集成了半導(dǎo)體壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)字信號(hào)處理單元和電源管理器的SoC模塊。為了強(qiáng)化胎壓檢測(cè)功能,有不少TPMS傳感器模塊內(nèi)還增加了加速度傳感器、電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘、看門狗和帶12位ADC、4KB Flash、2KB ROM、128 B RAM、128 BEEPROM及其他功能的ASIC數(shù)字信號(hào)處理單元。這些功能單元使得TPMS傳感器不僅能實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車開動(dòng)中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化,而且還能實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)即時(shí)開機(jī)、自動(dòng)喚醒和省電等功能。

　　(2)微控制器

　　這里微控制器采用Atmel公司推出的一種小型單片機(jī)89C205l,片內(nèi)含有2KB的Flash程序存儲(chǔ)器和128 B的片內(nèi) RAM。89C2051共20引腳。其中P1口8腳,可以作為一般的準(zhǔn)雙向端口,在引腳的驅(qū)動(dòng)能力上,具有很強(qiáng)的下拉能力。工作電壓為2.7～6V。當(dāng)工作電壓在3V時(shí),電流相當(dāng)于6V工作時(shí)的1/4,空閑時(shí)為1mA,掉電時(shí)僅為20mA。這樣小的功耗很適合于電池供電的小型控制系統(tǒng)。主要特點(diǎn)為采用Flash存儲(chǔ)器技術(shù),其軟件、硬件與MCS-5l完全兼容。其片內(nèi)程序的電可擦寫特性,使得開發(fā)與試驗(yàn)比較容易。

　　(3)無(wú)線射頻發(fā)射芯片MC33493

　　摩托羅拉的MC33493器件是高溫集成UHF無(wú)線電發(fā)送模塊?？蛇M(jìn)行OOK(On-Off Keying)或者FSK(Frequency Shift Keying)兩種調(diào)制方式。該芯片采用TSSOP-14封裝,工作在300～450 MHz頻段;具有FSK和OOK調(diào)制和解調(diào)能力,抗干擾能力強(qiáng),適合工業(yè)控制應(yīng)用;采用PLL頻率合成技術(shù),頻率穩(wěn)定性好;具有較小的發(fā)射功率,最大發(fā)射功率達(dá)O.18mW;數(shù)據(jù)速率可達(dá)9.6kb/s;1.9～3.6V低工作電壓;功耗低,發(fā)射時(shí)電流11.6mA,發(fā)射待機(jī)狀態(tài)僅為O.8μA(工作溫度在125℃)。