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    摘要：介紹了當(dāng)前輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，提出了基于MPXY8300智能傳感器的輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊和基于MC33596接收機(jī)的接收模塊的設(shè)計(jì)方案，并給出了硬件電路以及軟件程序流程。該系統(tǒng)可隨時(shí)測(cè)定每個(gè)輪胎內(nèi)部的實(shí)際溫度和瞬壓，確定故障輪胎并實(shí)時(shí)發(fā)出警示，有效避免爆胎事故的發(fā)生。

    關(guān)鍵詞：輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；MPXY8300；MC33596

    1概述

    輪胎在欠壓狀態(tài)下工作會(huì)導(dǎo)致輪胎溫度升高，從而造成輪胎的損壞；在欠壓情況下會(huì)增加燃油消耗，甚至?xí)�影響到汽�?chē)的可操控性和剎車(chē)性能。汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TirePressureMonitoringSystem，TPMS)主要用于汽車(chē)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，可有效地延長(zhǎng)輪胎壽命，節(jié)約燃油，提高汽車(chē)的安全性。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(guò)無(wú)線(xiàn)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具有耐高溫、低功耗、小體積等特點(diǎn)。

    目前，主要有英飛凌、Freescale以及通用公司3種流行的TPMS方案，均以自身的傳感器為核心進(jìn)行開(kāi)發(fā)。英飛凌TPMS傳感主要有SPl2、SPl2T、SP30等。FreescaleTPMS系統(tǒng)主要由MPXY80x0傳感器與MC68HC908RF2微處理器組成。通用TPMS傳感器采用NPXI和NPXII。NPXI集成了硅壓力傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、8位RISC微處理器、大容量存儲(chǔ)器以及一個(gè)LF輸入級(jí)，所有的測(cè)量信號(hào)都以數(shù)字信號(hào)輸出，便于客戶(hù)直接調(diào)用；NPXII除了具有NPX的所有功能外，還集成了一個(gè)加速度傳感器。此類(lèi)TPMS設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

    上述方案的共同缺陷在于輪胎監(jiān)測(cè)模塊的集成度不夠高，即使是通用TPMS方案，也需在NPX模塊外圍再連接無(wú)線(xiàn)射頻發(fā)射模塊，不可避免地增大了系統(tǒng)功耗和模塊體積。本文基于智能傳感器MPXY8300和MC33596接收機(jī)，提出了一種高集成度TPMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

    2TPMS硬件電路設(shè)計(jì)

    基于智能傳感器MPXY8300的高集成度TPMS系統(tǒng)，主要由TPMS傳感器、微控制器和無(wú)線(xiàn)射頻接收模塊幾個(gè)部分組成。TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較關(guān)鍵的一點(diǎn)是數(shù)據(jù)的傳輸部分。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸部分由兩部分組成：駕駛室中的無(wú)線(xiàn)接收部分和輪胎中的無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分。這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、穩(wěn)定性是系統(tǒng)優(yōu)良性能的重要體現(xiàn)。

    2．1數(shù)據(jù)采集與發(fā)射電路設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集與發(fā)射電路以Freescale公司的高智能傳感器MPXY8300為核心，如圖2所示。MPXY8300系列集成了Freescale公司的低功耗S08核，內(nèi)含512字節(jié)RAM和16KBFlash(其中8KB為固件，即一些底層驅(qū)動(dòng)、測(cè)試程序和標(biāo)定數(shù)據(jù)等)；同時(shí)，集成了溫度傳感器和單通道的LF低頻輸入功能。MPXY8300系列的RF發(fā)射支持315MHz和434MHz兩種載波頻率，并可通過(guò)寄存器配置成ASK或FSK調(diào)制方式。它還集成了電荷泵功能，當(dāng)電池電壓較低時(shí)，可提高RF發(fā)射部分供電電壓，從而使其仍能達(dá)到一定的RF發(fā)射強(qiáng)度。

    MPXY8300TPMS是一款將壓力傳感器、8位MCU、RF收發(fā)器和雙軸(XZ)加速器全部集成到一個(gè)封裝的產(chǎn)品。MPXY8300TPMS具有如下功能：

    ①精確的壓力測(cè)量。低功率表面微機(jī)械加工的電容性壓力傳感器的壓力單元(P-cell)能夠測(cè)量100～800kPa的壓力范圍，還為卡車(chē)輪胎(100～1400kPa)提供高壓范圍壓力單元，并為低成本應(yīng)用提供可選的低精度校準(zhǔn)。電容性表面微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)壓力感應(yīng)技術(shù)比壓阻式批量MEMS在功率使用方面更具有優(yōu)勢(shì)。飛思卡爾電容性表面微機(jī)電系統(tǒng)提供O．14μA電流(3V，30kHz)，壓阻式大規(guī)模MEMS則提供600～10000μA。前者每讀數(shù)O．9nAs(nano-amp-second)最低電荷，后者是60～1000nAs。

    ②完全集成。完全集成的MPXY8300TPMS模塊為每個(gè)獨(dú)立的輪胎(包括備胎)提供獨(dú)立的壓力測(cè)量。每個(gè)模塊集成一個(gè)基于315／434MHzPLL的RF收發(fā)器，即使車(chē)胎旋轉(zhuǎn)或更換后仍能保持連續(xù)通信。集成的運(yùn)動(dòng)傳感器可以進(jìn)行編程，以傳輸特定速度(輪胎旋轉(zhuǎn))的測(cè)量數(shù)據(jù)，包括沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的輪胎數(shù)據(jù)。

    ③可延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。有些法規(guī)要求TPMS解決方案的電池使用壽命為10年，MPXY8300結(jié)合一系列低功率技術(shù)，使用最少的電池資源確保長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)低功率喚醒定時(shí)器、定期復(fù)位驅(qū)動(dòng)器的低頻率震動(dòng)以及TPMS的特定功率管理技術(shù)，可以延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)更便利、更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

    2．2無(wú)線(xiàn)接收接口電路設(shè)計(jì)

    TPMS系統(tǒng)的接收模塊主要由天線(xiàn)、射頻接收電路、主控芯片MCU以及鍵盤(pán)、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(chē)車(chē)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。

    MC33596是Motorola公司的高溫集成UHF超外差無(wú)線(xiàn)電接收模塊，其接口電路如圖3所示。MC33596采用LQFP-24封裝，工作頻率在300～450MHz頻段，電壓范圍為4．5～5．5V；接收靈敏度高達(dá)-103dBm。芯片最大的特點(diǎn)是帶有一串行外設(shè)接口SPI。通過(guò)SPI，它允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信交換信息。SPI接口使用4條線(xiàn)；串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCLK)、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線(xiàn)MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線(xiàn)CONFB。

    主控芯片選用NXP公司的無(wú)線(xiàn)接收ARM7微控制器LPC2292，通過(guò)SPI接口與MC33596相連。LPC2292內(nèi)含多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、2路CAN以及多達(dá)9路外部中斷等，特別適用于汽車(chē)、工業(yè)控制應(yīng)用、醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線(xiàn)；內(nèi)部集成的2路CAN控制器符合CAN規(guī)范2．0BISOll898-1；可訪問(wèn)32位的寄存器和RAM；每個(gè)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)速率為1MB／s；全局驗(yàn)收濾波器可識(shí)別所有總線(xiàn)的11位和29位Rx標(biāo)識(shí)符；驗(yàn)收濾波器為

    選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供有FulICAN-style自動(dòng)接收功能。

    2．3CAN總線(xiàn)接口電路設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的TPMS系統(tǒng)具有CAN總線(xiàn)功能，可以與汽車(chē)儀表盤(pán)CAN通信口相連，直接在儀表盤(pán)顯示屏上顯示各輪胎的胎壓、溫度等數(shù)據(jù)。CAN正常工作需要具備CAN控制器以及CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器，前者可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能，后者則提供CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口以及對(duì)CAN總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。

    LPC2292微控制器包含兩個(gè)CAN控制器，單個(gè)總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mb／s，具有32位寄存器和RAM訪問(wèn)，帶有全局濾波器和驗(yàn)收濾波器。本系統(tǒng)采用雙路帶隔離CAN收發(fā)器CTM8251D，至少可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)擴(kuò)展CAN總線(xiàn)接口，使得串行通信方式的選擇更加多樣化。當(dāng)車(chē)內(nèi)儀表也具有CAN總線(xiàn)接口時(shí)，它們可以直接利用此接口與記錄儀通信。CAN總線(xiàn)接口電路如圖4所示。

    3軟件設(shè)計(jì)

    3．1數(shù)據(jù)發(fā)射模塊程序設(shè)計(jì)

    輪胎監(jiān)測(cè)模塊以數(shù)據(jù)包(幀)的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)輪胎模塊中的MPXY8300決定要發(fā)送數(shù)據(jù)(由傳感器采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù))時(shí)，通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)位喚醒接收模塊，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)幀。其數(shù)據(jù)幀格式如下：

    發(fā)射程序流程如圖5所示。監(jiān)測(cè)模塊被喚醒后首先進(jìn)行電源檢測(cè)。若壓力值P1與存儲(chǔ)在ROM里設(shè)定的壓力閾值P2的差值超過(guò)設(shè)定的壓差，則說(shuō)明輪胎的壓力超限，需要報(bào)警。此時(shí)為增強(qiáng)接收機(jī)接收數(shù)據(jù)的可靠性，連續(xù)發(fā)送16幀。

    3．2數(shù)據(jù)接收模塊程序設(shè)計(jì)

    接通電源后接收機(jī)自身初始化，配置發(fā)射機(jī)相關(guān)參數(shù)，指示燈閃亮，模塊進(jìn)入工作狀態(tài)。在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀之后，通過(guò)校驗(yàn)和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有誤，并根據(jù)收到數(shù)據(jù)的設(shè)備ID點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈以示報(bào)警，也可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警。同時(shí)，通過(guò)CAN總線(xiàn)接口將數(shù)據(jù)幀傳至儀表盤(pán)，完成信息的顯示報(bào)警。接收程序流程如圖6所示。

    結(jié)語(yǔ)

    本文通過(guò)對(duì)Freescale公司高集成度的MPXY8300芯片、接收芯片MC33596以及微控制器芯片LPC2292等器件的應(yīng)用，得出一套較為完整的TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在功耗、體積、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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