基于智能傳感器MPXY8300的TPMS設(shè)計(jì)

　　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)绊懙狡嚨目刹倏匦院蛣x車性能。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)主要用于汽車行駛時(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)需要通過無線方式進(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)行開發(fā)。英飛凌TPMS傳感主要有SPl2、SPl2T、SP30等。Freescale TPMS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。

　　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模塊外圍再連接無線射頻發(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。

       2 TPMS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、微控制器和無線射頻接收模塊幾個(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：駕駛室中的無線接收部分和輪胎中的無線發(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16 KBFlash(其中8 KB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434 MHz兩種載波頻率，并可通過寄存器配置成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。 

       MPXY8300 TPMS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，還為卡車輪胎(100～1400 kPa)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(3 V，30 kHz)，壓阻式大規(guī)模MEMS則提供600～10 000μA。前者每讀數(shù)O．9 nAs(nano-amp-second)最低電荷，后者是60～1000 nAs。
       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315／434 MHz PLL的RF收發(fā)器，即使車胎旋轉(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 無線接收接口電路設(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。

       MC33596是Motorola公司的高溫集成UHF超外差無線電接收模塊，其接口電路如圖3所示。MC33596采用LQFP-24封裝，工作頻率在300～450 MHz頻段，電壓范圍為4．5～5．5 V；接收靈敏度高達(dá)-103 dBm。芯片最大的特點(diǎn)是帶有一串行外設(shè)接口SPI。通過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；串行時(shí)鐘線(SCLK)、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線CONFB。  

　　主控芯片選用NXP公司的無線接收ARM7微控制器LPC2292，通過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、工業(yè)控制應(yīng)用、醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線；內(nèi)部集成的2路CAN控制器符合CAN規(guī)范2．0BISOll 898-1；可訪問32位的寄存器和RAM；每個(gè)總線的數(shù)據(jù)速率為1 MB／s；全局驗(yàn)收濾波器可識(shí)別所有總線的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。

       2．3 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)
       
　　本文設(shè)計(jì)的TPMS系統(tǒng)具有CAN總線功能，可以與汽車儀表盤CAN通信口相連，直接在儀表盤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控制器與物理總線之間的接口以及對(duì)CAN總線的差動(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)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Mb／s，具有32位寄存器和RAM訪問，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)。通過擴(kuò)展CAN總線接口，使得串行通信方式的選擇更加多樣化。當(dāng)車內(nèi)儀表也具有CAN總線接口時(shí)，它們可以直接利用此接口與記錄儀通信。 

       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。

　　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的差值超過設(shè)定的壓差，則說明輪胎的壓力超限，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)語音報(bào)警。同時(shí)，通過CAN總線接口將數(shù)據(jù)幀傳至儀表盤，完成信息的顯示報(bào)警。
       結(jié)語
       
　　本文通過對(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)。