??? 摘? 要: 介紹了直接式TPMS（Tire Pressure Monitoring System）的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)了基于SP12、TDK5110和TDA5220的TPMS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪胎狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地降低了發(fā)射系統(tǒng)" title="發(fā)射系統(tǒng)">發(fā)射系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)的可靠性。
??? 關(guān)鍵詞： TPMS? SP12? 低功耗" title="低功耗">低功耗? 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
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??? 每年由爆胎引起的交通事故在所有的交通事故中占有很大的比重。隨著人們對(duì)生命安全重視程度的提高，監(jiān)測(cè)汽車(chē)輪胎壓力就成為汽車(chē)安全的一個(gè)重要課題。輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)TPMS（Tire Pressure Monitoring System）主要用于對(duì)汽車(chē)輪胎壓力的監(jiān)視，對(duì)氣壓過(guò)高或者過(guò)低進(jìn)行報(bào)警，從而保障行車(chē)安全。TPMS系統(tǒng)按工作原理又可以分成兩類(lèi)：直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)。后者通常是通過(guò)汽車(chē)ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，或者通過(guò)輪胎周長(zhǎng)變化來(lái)發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓的變化，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的。間接式系統(tǒng)由于借用了ABS系統(tǒng)，只需要加上電腦監(jiān)控設(shè)備就可以進(jìn)行檢測(cè)，因而成本較低。但是，該類(lèi)型系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100km/h的情況進(jìn)行判斷，不利于掌握輪胎的準(zhǔn)確情況[1]。本文介紹的是直接式系統(tǒng)：在每個(gè)輪胎都裝上傳感器，在駕駛臺(tái)面板上顯示當(dāng)前輪胎壓力、溫度等數(shù)據(jù)，測(cè)量精度高。由于TPMS發(fā)射模塊" title="發(fā)射模塊">發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，必須采用電池供電，因此降低發(fā)射系統(tǒng)的功耗成為本研究中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。本文通過(guò)合理的器件選擇和軟、硬件方案，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高可靠性的設(shè)計(jì)。
1 TPMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
??? TPMS系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成，一部分是安裝在輪轂上的監(jiān)測(cè)發(fā)射模塊，由傳感器、MCU、RF發(fā)射芯片、電池和天線組成；另一部分是安裝在駕駛室內(nèi)的中央控制模塊，由接收天線、RF接收芯片、MCU和人機(jī)界面構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。MCU通過(guò)SPI總線獲取傳感器檢測(cè)到的壓力、溫度等數(shù)據(jù)，用異步串行方式送至RF芯片，同時(shí)輸出一個(gè)ENABLE信號(hào)啟動(dòng)RF芯片，將數(shù)據(jù)發(fā)射給接收模塊" title="接收模塊">接收模塊。接收模塊顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否超出閾值，以決定是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
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2 TPMS系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 TPMS傳感器
??? 本設(shè)計(jì)采用英飛凌公司生產(chǎn)的SP12[2]芯片，它具有氣壓測(cè)量、溫度測(cè)量、加速度測(cè)量功能和電源電壓檢測(cè)功能，能夠自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)量數(shù)據(jù)；采用SPI總線輸出；內(nèi)置時(shí)鐘電路，能周期性輸出定時(shí)喚醒信號(hào)和復(fù)位信號(hào)。這些功能不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)輪胎壓力和溫度的檢測(cè)，還可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)開(kāi)機(jī)，定時(shí)喚醒，電池欠壓報(bào)警等功能，達(dá)到省電并且保障安全的目的[3]。
2.2 發(fā)射模塊設(shè)計(jì)
??? 發(fā)射模塊由SP12、PIC16F630和TDK5110組成，如圖2所示。PIC16F630是由Microchip公司生產(chǎn)的汽車(chē)級(jí)" title="汽車(chē)級(jí)">汽車(chē)級(jí)的MCU，工作溫度-40℃～+125℃；采用TSSOP封裝，體積小；寬電源電壓范圍(2V～5.5V)，使用靈活。TDK5110是Infineon公司生產(chǎn)的汽車(chē)級(jí)的UHF發(fā)射芯片，有ASK和FSK兩種工作模式；完全集成PLL頻率合成電路，頻率穩(wěn)定性好；采用TSSOP封裝，體積小；功耗極小：低功耗模式下，電源電壓3V，溫度25℃時(shí)消耗電流僅約0.3nA。
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??? 為了降低發(fā)射模塊功耗，MCU采用定時(shí)喚醒的工作方式，定時(shí)信號(hào)由SP12提供。MCU采取內(nèi)置RC振蕩模式，以降低功耗和電磁干擾，同時(shí)因?yàn)镽C振蕩模式的起振時(shí)間短，有利于降低系統(tǒng)功耗。鑒于RC振蕩的精度不高，頻率不夠穩(wěn)定，對(duì)MCU與RF芯片的通訊同步有較大影響，而TDK5110有一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘輸出，頻率為847.5kHz，可以用該時(shí)鐘信號(hào)提供準(zhǔn)確的發(fā)送波特率。考慮到FSK方式的抗干擾能力更強(qiáng)，RF發(fā)射方式選擇FSK方式。TDK5110內(nèi)置FSK開(kāi)關(guān)，由7腳FSKDTA控制(FSKDTA為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輸出高頻移；FSKDTA為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，輸出低頻移），從而實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制方式。設(shè)計(jì)中選擇電池的依據(jù)是體積小，容量大，輸出電壓穩(wěn)定。鋰亞電池的比容量是所有電池中最高的，而且90%以上的電量可以在穩(wěn)定的工作電壓上輸出，適應(yīng)溫度范圍很寬，自放電極小，保質(zhì)期可長(zhǎng)達(dá)10年，因而非常適合TPMS的工作需要。
2.3 接收模塊設(shè)計(jì)
??? 接收模塊由RF接收器TDA5220、MCU PIC16F877A[4]以及人機(jī)界面和報(bào)警電路組成，如圖3所示。
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????PIC16F877A是一款功能強(qiáng)大的8位單片機(jī)，具有汽車(chē)級(jí)溫度范圍，片內(nèi)集成了256B的E2PROM，8KB的Flash ROM，368B的RAM；內(nèi)置看門(mén)狗電路；14個(gè)中斷源；除了通用串口還提供SPI和I2C總線接口；驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；端口資源豐富。PIC16F877A不僅能完成TPMS的功能，而且也有足夠的能力勝任將來(lái)對(duì)系統(tǒng)可能的升級(jí)。TDA5220是Infineon公司生產(chǎn)的汽車(chē)級(jí)UHF接收芯片，完全集成PLL頻率合成電路；工作頻率有400MHz~440MHz、810MHz~870MHz兩種范圍；可工作于ASK和FSK方式；接收靈敏度較高，ASK方式小于-107dBm，F(xiàn)SK方式小于-100dBm。
??? RF芯片與單片機(jī)采用異步串行方式通訊。TDA5220將接收到的數(shù)據(jù)送到PIC16F877A的同步/異步串行輸入端，單片機(jī)將數(shù)據(jù)送到LCD和報(bào)警控制電路。在更換輪胎時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)可以打開(kāi)接收模塊的換胎模式，刪除壞胎的ID，接收新胎的ID，實(shí)現(xiàn)對(duì)新輪胎ID和位置的識(shí)別。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1發(fā)射模塊工作流程
??? SP12的WAKE UP引腳輸出定時(shí)信號(hào)，周期為6s，送至MCU的外部中斷輸入端，將MCU從睡眠狀態(tài)喚醒。MCU首先檢測(cè)加速度。考慮到汽車(chē)在行駛中很難保持加速度不變，而校正后的加速度數(shù)據(jù)不一定很準(zhǔn)確，因而采用這樣的方法判斷汽車(chē)是否在運(yùn)動(dòng)：若前后兩次檢測(cè)到的加速度值相等，則認(rèn)為汽車(chē)處于停止?fàn)顟B(tài)，MCU轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。否則，MCU將檢測(cè)數(shù)據(jù)用異步串行方式送RF發(fā)射芯片。若數(shù)據(jù)正常，則每十次測(cè)量發(fā)送一次數(shù)據(jù)以節(jié)省電能；若數(shù)據(jù)超出正常范圍，則立即發(fā)送且發(fā)送多次，以提高發(fā)送的可靠性。發(fā)射程序流程如圖4所示。
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3.2 接收模塊工作流程
??? MCU將TDA5220傳來(lái)的數(shù)據(jù)做CRC校驗(yàn)，然后判斷是哪個(gè)輪胎發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，若不是來(lái)自本車(chē)則丟棄數(shù)據(jù)。若溫度、壓力和電池電壓數(shù)據(jù)超出正常值范圍，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，LCD閃爍，直至險(xiǎn)情排除。接收程序流程如圖5所示。
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3.3 換胎模式
??? 換上新胎后，通過(guò)按鍵中斷開(kāi)啟換胎模式：刪除存儲(chǔ)器中壞胎的ID，確認(rèn)并記錄新胎的ID號(hào)和安裝的位置。由于系統(tǒng)接收到的信號(hào)不一定來(lái)自本車(chē)，因此需要對(duì)所有接收到的信號(hào)進(jìn)行篩選。將MCU在一段時(shí)間內(nèi)接收到的ID存入臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)，與存儲(chǔ)器中本車(chē)輪胎的ID逐個(gè)比較，判斷接收到的ID是不是來(lái)自本車(chē)。如果不是，則將臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)中出現(xiàn)次數(shù)最多的ID作為新輪胎的ID，把本車(chē)始終未收到信號(hào)的輪胎判為壞胎，刪除其ID，保留位置信息，存入Flash ROM。通過(guò)LCD和蜂鳴器發(fā)出信號(hào)，提示ID更換完成。換胎模式軟件流程如圖6所示。
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??? 鑒于發(fā)射系統(tǒng)無(wú)法更換電池，降低發(fā)射系統(tǒng)功耗就顯得至關(guān)重要。本方案通過(guò)加速度喚醒技術(shù)、減少不必要的信號(hào)發(fā)射次數(shù)、選擇合理的單片機(jī)振蕩方式降低了發(fā)射系統(tǒng)的功耗；通過(guò)對(duì)發(fā)射數(shù)據(jù)的編碼和校驗(yàn)提高了收發(fā)過(guò)程的抗干擾性能；通過(guò)異常數(shù)據(jù)多次發(fā)送提高了系統(tǒng)的安全性。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，該系統(tǒng)對(duì)氣壓的檢測(cè)誤差不超過(guò)±4psi，對(duì)溫度的檢測(cè)誤差不超過(guò)±2℃，有效通信距離大于10m，能夠滿足轎車(chē)和其他中小型車(chē)輛的需求。TPMS是行車(chē)安全的重要保障，隨著人們對(duì)生命安全重視的深入，TPMS開(kāi)始成為汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置，歐美已經(jīng)通過(guò)立法，強(qiáng)制新車(chē)出廠前安裝TPMS系統(tǒng)，市場(chǎng)前景廣闊。本設(shè)計(jì)方案，較好地解決了系統(tǒng)低功耗、高可靠性的問(wèn)題，符合美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局制定的基本標(biāo)準(zhǔn)[5]，具有產(chǎn)品化的前景。
參考文獻(xiàn)
[1] ?彭鍇，丁國(guó)清．輪胎智能檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(4)：82-83．
[2]? Infineon Corp．SP12 tire pressure sensor， specification[EB/OL]．http://www.infineon.com
[3] ?顏重光． TPMS的設(shè)計(jì)方案思考[J]．電子質(zhì)量,2005，(7)：6-9．
[4] ?李學(xué)海．PIC單片機(jī)實(shí)用教程[M]．北京．北京航空航天大學(xué)出版社,2002.
[5] ?National Highway Traffic Safety Administration．Tire pressure monitoring final rule[DB/OL]．www.nhtsa.dot.gov