轮胎压力监测系统(TPMS)的电路设计

        TPMS系统由压力传感器模块和中央接收机组成。压力传感器SPl2、微控制器和433 MHz收发一体射频IC(nRF401)组成的压力传感器模块,完成轮胎压力的采集和发射任务。

      在未来汽车上加装轮胎压力监测系统(TPMS),也必将和ABS、安全气囊一样,是必然的发展趋势。轮胎压力监测系统全天候对轮胎里的压力进行监测,对轮胎的漏气和低压、高压进行报警,使车辆始终处于安全运行状态。

1 系统设计

　　TPMS系统由轮胎压力传感器和接收机组成。轮胎压力传感器选用MicrochiP公司的PICl6F628A低功耗8位MCU,压力传感器选用英飞凌的SPl2,射频IC选用N0rdic公司的nRF40l。

　　装在轮胎里的压力传感器将轮胎里的压力、温度信息传送给驾驶室里的接收机,让司机随时了解轮胎中的气压情况,如图l所示。

　　

　　

　　1.1 射频电路

　　在图2所示的射频信号电路中,采用挪威Nordic,公司的nRF40l器件,该器件是433 MHz ISM频段的单片UHF无线收发IC。它采用FSK的调制解调技术,其最高工作速率可达20 kb,发射功率可调,最大达lO dBm。基本技术指标如下：

　　

　　

　　中心载频点为433.92／434.23 MHz;

　　最大发射功率为10 dBm

　　工作电压为2.7~5.25V;

　　接收时消耗电流为250μA,发射时最大为28 mA,待机电流为8／μA。

　　NRF401的ANTl和ANT2是天线的输入／输出复用脚。在输入模式时,射频信号通过将该脚连接到低噪音放大器后解调;同样,在输出模式时,调制的信号在功率放大后,通过该脚输出。

　　4脚为nRF401的PLL锁相环滤波器输入,该脚正常工作时的电压是l.lV0.2V。

　　5脚和6脚为压电晶振控制的外围电路,此两脚间接一个Q>45@433 MHz值的22μH电感。

　　7脚和8脚分别为数据输入脚和输出脚。配合18脚PWR_UP和19脚TXEN上的电位时序完成信息的发送和接收。图3是进行数据发射和接收时控制各引脚操作时序图。

　　

11脚外接射频功率控制电阻。如图2中的R3,该值在22~100kΩ之间。一般在30kΩ左右达到7 dBm。

　　1.2 螺旋天线的结构

　　由于天线有不同类型,应根据具体应用要求来选择。本应用中,天线位于汽车轮毂内。紧靠气门嘴。在高速行驶中,天线不断变换方向。为了尽可能扩大接收的角度,选用螺旋天线。

　　螺旋天线的圈数(N)、直径(D)和圈距(S)决定了天线的增益和方向性。

　　天线的总长为LN=NLO=Nsqit(S2+C2)这里C=xD是螺旋的园周,Lo=sqrt（S2+C2）是一圈导线的长度。

　　另一个重要参数是螺旋角α,它是螺旋线切线和螺旋轴垂直平面的夹角。螺旋角的定义为α=tan-1(S／C)螺旋天线有以下2种工作模式。

　　①常态模式。在常态工作模式,天线辐射场在相对于螺旋轴的法线平面有极大值。对于该模式：NLo〈〈λ。

　　②轴向(端射)模式。这种工作模式只有一个主瓣,它的最大辐射强度沿着螺旋轴,副辦与轴间有一个倾斜角度。为激励这种模式,其直径D和空间3必须是波长的一个大分数。

　　1.3 传感器电路

　　SPl2是英飞凌公司的轮胎压力传感器IC,如图4所示,通过MEMS技术集成了压力和温度、加速度、电压的检测电路,直接以数字形式输出各物理量的示值,与外围采用SPI协议进行交互。

　　

　　

　　同时内部有两个时钟信号,WAKEUP和RESET。WAKEUP每6s输出一个脉冲信号,RESET每隔约54min输出一个脉冲信号,低电子有效。

　　1.4 系统功耗

　　由于要求TPMS系统整体静态电流小于20μA,所以保证选用的器件必须是低功耗或超低功耗的芯片。PICl6F628A的静态电流为0.lμA,传感器SPl2的静态电流为O.6μA,射频NRF401的待机电流为8μA。

　　经过实测,静态功耗Ist=Ist_mcu+Ist_sensor+ist_rf+Ist_cap=15μA。Ist_cap为钽电容的泄露电流。动态功耗在射频处于连续发射的情况下,经实测为25mA(最大值。

2 软件设计

　　2.1 软件总体设计

　　软件总体分为4个运行模式：调试模式(工厂诊断用)、初始化模式、睡眠模式(休眠)和测量模式。

　　(1)调试模式

　　主要执行产品出厂的一些内部测试和诊断功能。体包括传感器测试和射频测试两部分。

　　(2)初始化模式

　　接收主机给定的ID码和级别判定阀值。

　　（3）睡眠模式

　　以最低的功耗运行,响应系统的运行要求。

　　（4）测量模式

　　测量模式主要完成以下功能：

　　①定时测量轮胎压力、温度;

　　②压力在不同级别区域内有报警时,同一个级别只上报一次;

　　③压力无变化,固定间隔时间段上报一次压力、温度;

　　④保证系统可靠性．系统每隔约l小时复位一次。

　　⑤不同级别报警同时出现,则以高温、高压、低压级别的优先级报警。

　　它们的相互转换关系如图5所示。

　　系统上电复位的工作流程图如图6所示。

　　

　　

　　2.2 传感器数据的处理

　　SP12是压力传感的IC,内部直接处理得到的数字量,只需通过SPI物理接口,向它发送对应的命令字和指令,就可以得到当前轮胎的压力、温度、加速度等值。由于PICl6F628A无SPI模块,这里可通过软件来模拟SPI驱动。达到与SP12通信的目的。

　　2.3 射频数据的处理

　　为了保证在恶劣的环境下收发数据的可靠性,以及根据本应用信息量小,数据简单的特点,采用信息冗余的方法来保证数据可靠地接收,即连续发送相同内容的信息。

　　数据的发送处理采用MCU内部的USART模块。

　　数据帧格式为前导符+同步字符+ID码+压力+温度+报警位+校验码。

　　数据的接收处理,nRF40l在接收模式下,DOUT脚有连续的随机信号输入,如何高效地在字节流中筛选出发送的信息呢?这里,因为发送格式是固定的,故采用在中断处理过程中用有限状态机的方式来处理。

结 语

　　该TPMS系统具有体积小,成本低,双向金时的特点,得到广泛的应用。对于拥有几千万辆汽车的国内,将具有非常广阔的市场前景。这将掀起新一轮汽车压力传感器应用的高潮。