隨著全球汽車電子產業的興起和人們對汽車安全的信息化、智能化的不斷追求,汽車胎壓監測系統(TPMS)成為繼安全氣囊和ABS之后的又一新興汽車安全產業迅速發展。
目前出現的TPMS主要分為間接式和直接式。間接式TPMS使用ABS輪胎速度傳感器來測量每一個輪胎的轉速,從而判斷輪胎壓力,該系統雖然具有不用電池、耐用性強等優點,但準確性、可靠性差。直接式TPMS系統主要用于汽車行駛時,能夠適時地對輪胎氣壓進行自動監測,對輪胎漏氣造成低胎壓和高溫高胎壓導致爆胎進行預警,確保行車安全,因此逐漸成為市場主流。本文主要介紹基于MPXY8020傳感器的直接式TPMS系統設計,并對直接式TPMS的設計難點進行分析。
TPMS系統框圖及系統工作原理
TPMS系統由數個發射模塊和一個接收模塊組成。圖1為發射模塊框圖,該發射模塊安裝在輪胎內,通過壓力溫度傳感器可以測量該輪胎內氣體的壓力和溫度,發射端中央處理器負責數據處理,并將發射機ID號、壓力、溫度等信息組幀后經曼徹斯特編碼送到RF發射電路,最后由RF電路將數據FSK/ASK調制后通過發射天線發射出去。整個發射模塊由一只電池供電。
圖1 發射模塊
圖2為接收模塊框圖,該接收模塊安裝在駕駛室前端可以方便駕駛員看到的位置。RF接收電路通過接收天線接收發射模塊的無線信號,并將接收到的信號解調、解碼后送給接收端中央處理器,中央處理器處理數據后根據ID號將各個輪胎的壓力/溫度值顯示在顯示器相應的位置上,使駕駛員可以隨時了解每個輪胎的壓力溫度信息,確保行車安全,如輪胎發生異常時接收模塊會自動及時向駕駛員發出警報。接收模塊可以用車載電源|穩壓器或電池。
圖2 接收模塊
基于MPXY8020傳感器的發射模塊設計
TPMS系統中發射模塊的設計采用摩托羅拉的MPXY8020和68HC908RF2,前者為電容式壓力和溫度傳感芯片,后者為MCU和RF發射電路集成芯片。
發射模塊硬件電路設計
MPXY8020是專用于TPMS系統的多功能、低功耗的傳感芯片,其內部除了壓力和溫度傳感電路外,還具有內部喚醒功能的數字接口電路,如圖3。8020傳感器與MCU的接口有6個端口：S1和S2是8020的工作模式控制端口,根據MCU對這2個端口的邏輯狀態控制不同,8020可以分別工作在低功耗的待機模式、壓力測量模式、溫度測量模式及測量數據輸出模式;DATA和CLK為軟件控制的串行接口,進行測量數據的傳輸;OUT端口為復用端口,8020在待機模式下,可以每3s內部自喚醒并通過OUT端口以中斷方式喚醒MCU。當8020在測量數據輸出模式時,OUT作為內部比較器的邏輯狀態輸出;RST具有52min復位MCU的功能。
圖3 發射電路
值得注意的是,8020傳感器的A/D轉換是逐次逼近型的反饋式轉換器,其原理是8020內部具有8位移位寄存器,MCU通過8020的DATA和CLK端口首先輸入10000000二進制數據,將8位寄存器D/A轉換的模擬量與壓力或溫度的真實測量值進行比較,并判斷OUT端口的狀態,如果OUT端口為低,說明逼近值大于真實值,此時可以確定真實值最高位為0;如果OUT端口為高,說明逼近值小于真實值,此時可以確定真實值最高位為1。依次類推從高位向低位可以逐次逐位逼近真實測量值,這樣MCU可以確定最終的壓力和溫度測量值。
68HC908RF2內部高性能8位處理器主要負責與傳感器的數據傳輸、數據分析處理及與RF發射電路的數據傳輸與控制。在圖3發射電路中,PTA1和PTA2作為輸出端口控制8020的工作模式;PTA3和PTA4作為輸出向8020移位輸入測量逼近值;PTA5是復用端,當MCU讀取傳感器的測量值時,PTA5通過OUT獲取比較器的狀態,當MCU在省電模式時PTA5作為鍵盤中斷輸入端口,通過OUT獲得3s中斷。另外,S1是速度開關,當汽車運行或停止時S1開關可以導通或閉合,這樣MCU就可以根據車輛運行狀態對程序作有效處理。
68HC908RF2內部還集成一個多頻帶工作的FSK/OOK調制電路,其工作方式由數字控制端(BAND和MODE)的邏輯狀態決定。BAND為工作頻帶選擇端口,將BAND置高,并選擇晶體振蕩器Y1為13.56MHz,此時經過32倍頻后產生載波頻率為434MHz的RF信號。MODE為FSK/OOK調制模式選擇端口,將MODE置高,RF電路工作于FSK模式。
68HC908RF2雖將MCU和RF電路集成于一體,但其接口電路仍需要外部連接,如圖3示。PTB1作為輸出控制RF電路的使能端ENABLE;PTB2和PTB3作為串行口與RF電路的RFDATA和DATACLK相連,經過曼徹斯特編碼后的壓力溫度等信息,以二進制數據流的方式傳輸給發射電路, 發射電路再以FSK方式進行發射。其FSK工作原理較為簡單,當RFDATA輸入“1”或“0”時,引起CFSK的輸出阻抗的變化,從而切換晶體振蕩器Y1的兩個負載電容C1和C2,負載電容的改變使晶體振蕩器的諧振頻率發生很小的偏移,這樣經過倍頻后FSK信號就可以產生。
發射模塊固件程序設計
發射模塊的固件程序從功能上來看較為簡單,但從系統的可靠性、使用壽命等方面來考慮,對程序設計的安全性、經濟性、有效性等提出很高的要求。特別是依靠1塊500mAh的鋰電池TPMS發射機要工作8年以上,除了優秀的硬件設計外,固件程序對發射模塊的各個電路進行經濟、有效的控制顯得尤為重要。
圖4為簡單的程序流程圖,考慮省電的問題,整個發射模塊一般時間都處于省電模式。當MPXY80203s中斷喚醒MCU后,MCU立即控制8020進行壓力溫度檢測并獲得壓力溫度測量值,MCU再對測量數據進行判斷,看輪胎壓力及溫度是否處于正常狀態：如果胎壓、溫度正常,再判斷定時發送數據的時間,如果定時時間沒有到就進入省電模式,定時時間到,則進行組幀、曼徹斯特編碼、發送RF數據,最后再進入省電模式。相反,如果胎壓、溫度異常就直接進入發送數據的程序。
圖4 發射流程圖
接收模塊設計
本系統接收機采用摩托羅拉的接收芯片MC33594和中央處理器68HC908GT16,顯示器采用液晶顯示屏|顯示器件。
接收模塊硬件電路設計
MC33594是一個具有自動增益控制的高靈敏度的OOK/FSK解調芯片,內部包括混頻、中頻放大、鎖相環、解調、數據管理及SPI接口等電路。MCU可以通過SPI接口對MC33594的內部寄存器進行配置,從而設置該接收芯片的調制類型、數據接收碼速率、RF載波頻率等信息。圖5為TPMS接收電路,MC33594通過接收天線接收發射機發射的RF信號,將RF信號解調后通過SPI接口以中斷方式傳輸給68HC908GT16(MCU),MCU負責處理數據、顯示數據,并在必要時啟動報警電路。
圖5 接收電路
接收模塊固件程序設計
接收程序與發射程序類似,雖然功能簡單,但從可靠性來看,特別當一個接收機要同時接收4個發射機甚至更多發射機的數據時,接收程序處理數據的有效性、及時性顯得更為重要。
圖6為接收機程序流程圖,考慮接收數據的有效性,我們設計SPI中斷方式接收數據,收到數據幀后MCU解析出發射機的ID號、壓力值、溫度值等信息,再判斷該發射機的ID與本接收機內存儲的ID是否一致,如果不一致,則丟棄該組數據并進入省電狀態。如果ID一致,則處理數據并根據ID顯示相應輪胎的壓力溫度數據,在壓力或溫度超出正常范圍時能及時、準確地報警。
圖6 接收流程圖
無線通訊及協議
TPMS系統無線通信的設計關乎整個系統數據傳輸的可靠性,接收芯片MC33594提供了靈活的軟硬件通信資源。通過軟件對MC33594的內部寄存器CR1、CR2、CR3進行編程,設定本TPMS系統的載波頻率為434MHz,無線數據傳輸速率為9600bps。發射模塊與接收模塊的數據傳輸采用固定幀長,格式為：幀頭(2字節)+發射機ID(4字節)+壓力數據(1字節)+溫度數據(1字節)+狀態信息(1字節)+校驗(1字節)+幀尾(1字節)。
其中幀頭包含同步頭、預設的ID信息(用于RF信號識別)、報頭標志(為二進制曼徹斯特編碼0110),同步頭用于喚醒MC33594的內部電路,并通過PLL鎖定RF載波頻率;預設的ID信息用于識別系統信息的匹配;如果預設的ID信息匹配,則啟動數據管理器,再判斷報頭是否到達,收到報頭后正式接收數據。
TPMS系統設計中的難點分析
信號可靠性要求
TPMS是一個測量胎壓、溫度等,涉及安全信息的無線收發系統,其信號可靠性是設計中始終要考慮的問題。該信號可靠性包括兩個方面：數據接收率和誤碼率。數據接收率是指接收機能否可靠地收到發射機發射的每一幀數據,不僅涉及接收機的靈敏度和發射機的發射功率,還有一個重要的影響因素：當發射機裝入輪胎而接收機放入車內時,車體本身相當于一個屏蔽盒,對信號的衰減相當大,再加上多個發射機的數據沖突及周圍環境的干擾等,導致系統的數據接收率較低。誤碼率是指發射機發射的信號在傳輸途中因為外界環境干擾致使接收機收到錯誤的數據信息,導致系統可靠性降低。
在基于MPXY8020的TPMS設計中,我們采用高增益的發射天線及匹配電路使發射功率達到理想的設計要求,特別在接收端除了匹配電路設計外,一方面,根據汽車上無線電傳輸路徑的研究分析,采用雙天線的接收模式;另一方面,根據多發射機發射信號的隨機性和沖突性,采用時差間隙發送數據的方式進行發射,并在接收軟件的設計中采用中斷接收循環處理的接收模式,這樣TPMS信號 接收率可高達98%以上。另外在軟件設計中對傳輸數據采用多種校驗方式相結合的方法,使系統的誤碼率大為降低。
當然,頻繁的發射數據可以增加接收機接收數據的幾率,從而提高系統可靠性,但這樣會大大降低電池的使用壽命。
環境要求
TPMS作為汽車上應用的產品,其環境適應方面要求相當嚴酷,特別是發射機,除了溫度范圍寬以外,還要達到防水、防鹽霧、抗振動、抗沖擊、電磁兼容等諸多要求。這樣對原材料提出很高的要求,比如電池的工作溫度必須達到-40～125℃;發射機外殼必須采用高強度、高韌性、耐高低溫的材料等。TPMS發射機的生產工藝也要求很高,比如采用密封、灌膠等工藝,還要在生產過程中設計諸多的環境試驗。
關鍵元器件之一的電池,采用TADIRAN的TLH2450電池,達到溫度的設計要求;結合發射機外殼的環境要求和基于對各種塑料材料的特性分析,采用尼龍、玻纖等合成材料設計發射機外殼,達到了抗振動、抗沖擊、耐高低溫等設計要求;另外,對發射機的制作采用灌膠密封的方式,即使將發射機全部浸沒水中,也可以正常發射數據。
體積重量要求
TPMS發射模塊要裝入輪胎內,則體積不能過大,太大會給輪胎安裝、拆卸造成很大的問題;其次,發射模塊的重量要很輕,否則會對輪胎的動平衡產生影響。因此在TPMS的設計中,對發射模塊的體積和重量都作了嚴格的限制,達到了體積小、重量輕的設計要求。
使用壽命要求
TPMS的使用壽命一般要達到8～10年,這對僅靠一只500mAh的電池(電池容量過大會增加發射模塊的體積和重量)維持工作的發射機的設計確實是不小的難題。除了硬件電路的設計功耗要極小以外,TPMS發射機的固件設計相當重要,在保證系統可靠性要求的前提下,發射機的傳感器測量次數、RF數據發射次數都要作嚴格控制。因此,設計者往往要在系統可靠性及壽命要求的矛盾中作優化。
在基于8020傳感器的TPMS設計中,考慮到發射機以3s中斷喚醒MCU的方式進行工作,其發射模塊大多時間都在省電狀態,因此對省電狀態的功耗設計達到0.6uA以下,另外在電池極端壽命的實驗下基于對發射機發射次數的統計,理論計算該TPMS系統的壽命高達10年以上。
結語
直接式TPMS系統在產品化設計中面臨諸多難點。作為汽車安全產品,應更多關注其系統的失效分析。隨著TPMS技術的不斷發展,新的TPMS技術方案集成度越來越高,特別是將傳感器、MCU、發射電路集成于一體后,不但發射模塊的體積更小、重量更輕,其性能、功能等都有很大的提高,如增加了LF、LVD、加速度測試等功能,甚至通過CAN總線使TPMS系統與整車電子系統相連,從而實現信息共享。