引 言
據(jù)調(diào)查，高速公路發(fā)生的嚴(yán)重交通事故，有很大比例是由汽車輪胎欠壓引起的。為防止此類事故發(fā)生，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)TREAD法案，強(qiáng)制要求汽車安裝輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)，得到世界各國(guó)積極響應(yīng)。因此，在未來(lái)汽車上加裝輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將和ABS、安全氣囊一樣，成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。
TPMS系統(tǒng)分為直接式TPMS和間接式TPMS兩種。其中間接式TPMS是通過(guò)汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較車輪之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的，其精度較低。直接式TPMS工作原理是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器和溫度傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的壓力和溫度，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)控。它的優(yōu)點(diǎn)是，在輪胎壓力過(guò)高、過(guò)低，輪胎緩慢漏氣或溫度異常變化時(shí)，可以及時(shí)向車載無(wú)線接收器報(bào)警，有效防止爆胎，同時(shí)監(jiān)測(cè)所有輪胎的狀況，并且系統(tǒng)對(duì)汽車的行駛速度沒(méi)有要求。
目前提供TPMS配套方案的半導(dǎo)體廠商很多，芯片廠商主要包括飛思卡爾(Freescale)、英飛凌(SensoNor)、GE(NovaSensor)、Atmel、Maxim、東芝、NXP、Omron、MelxiS、RFMonilithi等公司。其中GE、飛思卡爾和英飛凌公司具有從胎壓傳感器、RF發(fā)射及接收器，到MCU的完整產(chǎn)品線，其他半導(dǎo)體公司主要提供從胎壓傳感器、RF、到MCU的若干配套方案。
從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，GE公司通用NovaSensor就提供壓力傳感器及TPMS系統(tǒng)方案。2004年其NPX系列壓力傳感器開(kāi)始供貨，NPX I芯片整合了壓力、溫度傳感器及8位RISC MCU，NPX II與NPX I相比較又整合了慣性感應(yīng)器；2006年推出的NPX III除具有以上功能外，更把RF發(fā)射電路整合一體，成為單芯片方案。NPX系列芯片由于性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定，被世界一流汽車配套廠商廣泛采用。本文介紹基于GE公司NPX I芯片的TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)方法。
1 直接式TPMS設(shè)計(jì)
直接式TPMS系統(tǒng)框圖如圖1所示。一般來(lái)說(shuō)，TPMS系統(tǒng)需要4個(gè)發(fā)射模塊和1個(gè)接收模塊。4個(gè)發(fā)射模塊都需要與接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此如何使它們之間的通信工作協(xié)調(diào)、有序地進(jìn)行，成為設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題。
對(duì)于GE公司提供的方案，溫度和壓力傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器及8位的MCU都整合進(jìn)NPX系列芯片之中，使得數(shù)據(jù)采集與傳輸中的通信設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。對(duì)于NPX I和NPX II芯片，只需要配合合適的射頻發(fā)送電路，就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送模塊的全部功能。如圖l(b)所示，TPMS系統(tǒng)的接收模塊包括解調(diào)電路、接收處理、顯示及控制接口4部分。解調(diào)電路將接收的射頻信號(hào)放大解調(diào)后，將數(shù)字信號(hào)送給微處理器串行接口；微處理器再進(jìn)行譯碼，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎的位置、溫度和壓力值，然后做出相應(yīng)的處理，如更新顯示、聲光報(bào)警等。
1．1 發(fā)送模塊硬件設(shè)計(jì)
GE公司一直致力于TPMS傳感器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，其產(chǎn)品NPX I芯片集成了壓力傳感器、溫度傳感器及1個(gè)8位RISC微處理器。NPX I芯片具有4 KB的用戶可編程空間、4 KB的定制ROM，以及一個(gè)2D的LF輸入級(jí)。各類傳感器的信號(hào)經(jīng)12位ADC轉(zhuǎn)換后，提供給用戶和系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在4 KB的定制ROM中，固化了GE公司特有的壓力、溫度和電壓測(cè)量、補(bǔ)償和校準(zhǔn)程序，以及其他實(shí)用的子程序，用戶可省去繁復(fù)的運(yùn)算編程，只需簡(jiǎn)單調(diào)用即可獲得需要的狀態(tài)值。在開(kāi)發(fā)階段，GE公司可以提供可編程版本的傳感器，用戶可以通過(guò)仿真器編程器將程序下載到器件的4 KB用戶可編程空間中。下載程序之后的傳感器可以直接運(yùn)行使用，或者通過(guò)仿真器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真單步調(diào)試。調(diào)試環(huán)境與一般的單片機(jī)非常相似。客戶大批量生產(chǎn)版本的傳感器可以通過(guò)掩膜ROM工藝生產(chǎn)，以進(jìn)一步降低成本。
由NPX I芯片實(shí)現(xiàn)的發(fā)送模塊如圖2所示。
為了保證系統(tǒng)在較低電流消耗的情況下仍有較高的發(fā)射功率和接收靈敏度，系統(tǒng)選用了NXP公司的高集成度的單芯片發(fā)射器PCH7900。PCH7900芯片集成度非常高，只需很少的外圍元件就可以用于315／434／868／915MHz、數(shù)據(jù)速率高達(dá)40 kbps的ASK和FSK調(diào)制發(fā)射機(jī)。基于PCH7900的射頻數(shù)據(jù)發(fā)送電路如圖3所示。其中315 MHz和868 MHz發(fā)射頻率的電路參數(shù)按表1設(shè)置。
1．2 接收模塊硬件設(shè)計(jì)
TPMS系統(tǒng)的接收模塊主要由天線、射頻接收電路、主控芯片MCU以及鍵盤、顯示器組成，用于接收各發(fā)射模塊傳送的輪胎溫度與壓力數(shù)據(jù)，顯示各輪胎的ID識(shí)別碼和測(cè)量數(shù)據(jù)，并在異常情況發(fā)生時(shí)聲光報(bào)警。由于接收模塊安裝在汽車車廂內(nèi)，故對(duì)器件選用的各方面要求不高，工業(yè)級(jí)即可。
RF接收芯片選用時(shí)要求接收靈敏度較高，這里選用Maxim公司的MAXl473芯片。MAXl473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差接收器，具有一114～O dBm的輸入信號(hào)范圍、高于50 dB的鏡像載波抑制，用于接收300～450 MHz頻率范圍的幅度鍵控(ASK)數(shù)據(jù)信號(hào)非常理想。這款芯片在關(guān)斷模式下電流消耗低于2．5μA，接收模式下電流消耗為5．2 mA，可接收高達(dá)100 kbps的數(shù)據(jù)速率。使用MAXl473芯片實(shí)現(xiàn)的315 MHz的射頻接收電路如圖4所示。
Silicon Labs公司的C8051F4l0單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。該芯片具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新固件。片內(nèi)Silicon Labs二線(C2)開(kāi)發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲(chǔ)器及寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用C2進(jìn)行調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行；并且2個(gè)C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。
使用C8051 F4lO 芯片的主控電路框圖如圖5所示。
2 軟件實(shí)現(xiàn)與仿真實(shí)驗(yàn)
2．1 數(shù)據(jù)傳輸格式
為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輪胎模塊和接收模塊之間可靠的無(wú)線通信，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之問(wèn)必須以一定的協(xié)議進(jìn)行通信。發(fā)射模塊中的MCU發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)以數(shù)據(jù)幀方式進(jìn)行，通過(guò)數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)位喚醒接收模塊，其幀格式如下：
其中，前導(dǎo)位的作用是喚醒接收器和指示有實(shí)際的數(shù)據(jù)跟隨；輪胎ID用來(lái)識(shí)別和確定輪胎位置；壓力值和溫度值傳送實(shí)際的測(cè)量值；狀態(tài)位指示當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)；校驗(yàn)和用來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)正確性；停止位指示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
因?yàn)榘l(fā)送模塊的設(shè)計(jì)要考慮節(jié)電功能，所以模塊平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)接收到加速度喚醒信號(hào)時(shí)進(jìn)行測(cè)量并傳輸數(shù)據(jù)，其程序流程如圖6所示。接收模塊的程序流程如圖7所示。接收模塊上電后，首先配置MCU和RF接收芯片，然后開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。當(dāng)收到數(shù)據(jù)后，MCU校驗(yàn)輪胎1D，當(dāng)確認(rèn)輪胎ID有效后，MCU處理該數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)。最后，MCU根據(jù)設(shè)置的閾值決定是否作出超壓、欠壓及漏氣等報(bào)警動(dòng)作。
2．3 仿真實(shí)驗(yàn)
由本文設(shè)計(jì)的TPMS系統(tǒng)在與實(shí)際工作情況相類似的情況下做了仿真實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)壓力變化范圍為100～250 kPa，輪胎溫度變化范圍為O～90℃。本文設(shè)計(jì)的TPMS系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)與溫度計(jì)的比較情況如表2所列。
由以上實(shí)驗(yàn)可以看出，本TPMS系統(tǒng)測(cè)量得到的壓力和溫度值基本正確，誤差在允許范圍之內(nèi)。
3 結(jié) 論
輪胎壓力和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)是汽車安全系統(tǒng)必備的功能之一，其中直接式TPMS系統(tǒng)是當(dāng)前主要的實(shí)現(xiàn)方式。本文針對(duì)GE公司的NPX I芯片進(jìn)行了汽車直接式TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中發(fā)射模塊采用NPX I芯片及發(fā)射芯片PCH7900，接收模塊采用MAXl473接收芯片及C8051F410單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。與其他TPMS系統(tǒng)方案比較，本設(shè)計(jì)所采用的NPX I芯片集成了壓力傳感器、溫度傳感器及微處理器MCU，集成度高，性能穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)與微處理器之間高效可靠的通信。接收端采用C805lF410單片機(jī)作為主控芯片，該芯片功能強(qiáng)大、支持在線調(diào)試，并具有良好的性價(jià)比。
