【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用只要是工業(yè)級(jí)即可，省電的要求也不高。輪胎監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)的具體要求為：低功耗、介質(zhì)兼容性以及無線信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴? (1)低功耗 在 TPMS 實(shí)際使用過程中，不可能頻繁地拆卸輪胎來為監(jiān)測(cè)模塊更換電池，故需要做到輪胎監(jiān)測(cè) 模塊與輪胎同壽命。本設(shè)計(jì)采用降低功耗的方法是利用擁有內(nèi)置加速度計(jì)的傳感器來檢測(cè)輪胎是靜止的還是運(yùn)行的，只有當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)才進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)和傳輸，當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)時(shí)， TPMS 可以休眠或以很低的頻率運(yùn)行以節(jié)省電量。一般的車輛在公路上行駛的平均時(shí)間大約占總使用時(shí)間的 15%，即車輛處于停車狀態(tài)的時(shí)間比真正行駛的時(shí)間要長得多 [9]，因此這種方法可以大幅度降低 TPMS 的功耗。 (2)介質(zhì)兼容性 組件除了要盡可能的低功耗外，傳感器的介質(zhì)兼容性和可靠性對(duì) TPMS 而言至關(guān)重要，如果沒有這些關(guān)鍵特性，整個(gè) 系統(tǒng)的精確性和可靠性將成問題。所謂傳感器介質(zhì)兼容性，主要指的與不同種類的介質(zhì)，如水楊酸、污水、磷酸鈉等接觸時(shí)所表現(xiàn)出來的不受干擾性。因?yàn)檩喬ツK是置于輪胎內(nèi)部的，所以電子組件面對(duì)的將是輪胎內(nèi)部的惡劣環(huán)境，包括－ 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 40℃～ +125℃的寬工作溫度范圍以及潮濕、灰塵和剎車油等其他介質(zhì)的侵襲 [10]。 TPMS 傳感器特別容易被腐蝕，因?yàn)樗膲毫M(jìn)氣口必須與空氣接觸才能監(jiān)測(cè)周圍的壓力，而好的介質(zhì)兼容性可以確保傳感器能得到全面保護(hù)。 (3)無線信號(hào)傳輸?shù)目煽啃? TPMS 需要著力解決的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是無線信號(hào) 傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，特別是高速行駛時(shí)的信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。由于高速行駛及工作環(huán)境比較惡劣，而且汽車內(nèi)電子產(chǎn)品豐富，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)漂移及時(shí)有時(shí)無的情況；另外在使用手機(jī)、汽車音響等產(chǎn)品時(shí)，信號(hào)相互會(huì)有干擾，信號(hào)的穩(wěn)定性會(huì)受到影響，因此，屏蔽和抗干擾等問題就顯得尤為重要。 RF 發(fā)射 /接收 IC 選用時(shí)一般需要較高的接收靈敏度，以提高 TPMS 的工作效率并降低整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。第一代 TPMS 的發(fā)射器芯片設(shè)計(jì)運(yùn)用的是 ASK 調(diào)制技術(shù)，通過 SAW 共振器產(chǎn)生合適的發(fā)射頻率，這樣的 ASK 系統(tǒng)非常便宜，但是載有發(fā)射器的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接收 場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化，為此，目前的 TPMS 在晶體振蕩器和 PLL 合成器的基礎(chǔ)上運(yùn)用 FSK 調(diào)制方式來產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。在許多 OEM 應(yīng)用中， FSK 即使在輪子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都能提供可靠的 RF 通信。 系統(tǒng)功能要求 直接式 TPMS 系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有： (1) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)輪胎的壓力、溫度、電壓情況； (2) 可設(shè)定每個(gè)輪胎的壓力報(bào)警上下限； (3) 當(dāng)某個(gè)輪胎的壓力過高、過低時(shí)，顯示該輪胎的 ID，溫度和壓力，并發(fā)出聲光報(bào)警；當(dāng)某個(gè)輪胎內(nèi)部壓力急速下降，并發(fā)出快速漏氣報(bào)警； (4) 輪胎保養(yǎng)換位后，各輪胎 ID 可重設(shè)； (5) 可手動(dòng)讀取各輪胎當(dāng)前壓力值。 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì) 輪胎壓力與溫度監(jiān)控系統(tǒng)是通過先進(jìn)的傳感技術(shù)，在汽車行駛過程中，利用傳感器來直接測(cè)量輪胎的氣壓和溫度，并通過無線調(diào)制發(fā)射到駕駛室的控制臺(tái)上，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)輪胎的氣壓和溫度狀況，并對(duì)輪胎漏氣、低氣壓和高溫進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，以保障行車安全。還可以延長輪胎的使用壽命，有效降低油耗，能保持最佳車輛性能。通過對(duì) TPMS方案設(shè)計(jì)分析，確定本文系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如下文所述。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 輪胎模塊的總體設(shè)計(jì) 輪胎模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能：信號(hào)采集處理和信號(hào)發(fā)射。從壓力傳感器出來的信號(hào)，由微處理器完成采樣。然后由微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，再進(jìn)行軟件編碼，將數(shù)據(jù)流送給射頻發(fā)射電路；信號(hào)經(jīng)過調(diào)制、編碼后發(fā)射給接收系統(tǒng)。輪胎模塊設(shè)計(jì)框圖如圖。 壓 力 溫 度 傳 感 器 放 大 電 路 微 處 理 器 射 頻 發(fā) 射 電 路 圖 主機(jī)模塊的硬件總體設(shè)計(jì) 主機(jī)模塊包括解調(diào)電路、接收數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警及人機(jī)接口四部分，如圖 所示。解調(diào)電路由輪胎發(fā)射出來的射頻信號(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和壓力值；然后作出相應(yīng)的處理，如更新當(dāng)前壓力值，聲光報(bào)警等。人機(jī)接口部分要包括 LED 指示，按鈕等。 LED 主要起指示輪胎位置和顯示當(dāng)前安全狀況。按鈕則可以進(jìn)行系統(tǒng)的功能讀取當(dāng)前輪胎壓力大小。 接 收 解 調(diào) 微 處 理 器 聲 光 報(bào) 警人 機(jī) 接 口 圖 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)就是為了在硬件電路基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用智能化，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)技術(shù)性能的好壞。在汽車輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，必須要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際 情況和具體技術(shù)性能要求，才能設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)場(chǎng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)。 汽車輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)硬件模塊劃分，也分為輪胎模塊軟件設(shè)計(jì)和主機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)兩大部分，為了開發(fā)的便利，其中雙方涉及到數(shù)據(jù)無線收發(fā)功能的部分又可以合為無線收發(fā)模塊。圖 是系統(tǒng)軟件的功能框圖。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 輪 胎 檢 測(cè) 模 塊 主 程 序數(shù)據(jù)測(cè)量程序發(fā)射程序數(shù)據(jù)處理主 機(jī) 模 塊 主 程 序接收程序L C D顯示數(shù)據(jù)處理聲光報(bào)警鍵盤操控 圖 從圖中可以看出，輪胎模塊的軟件需要具有 3 種主要功能：測(cè)量、處理數(shù)據(jù)和發(fā)射。輪胎模塊是由一塊鋰電池供電，鋰電池的電池容量通常為 750mAh 因 此需要綜合考慮效率與時(shí)間，以得到高效率的算法，才能保證系統(tǒng)長期有效地可靠運(yùn)行。主機(jī)模塊雖然沒有嚴(yán)格的耗能標(biāo)準(zhǔn)，但接收效率和監(jiān)控算法仍很重要，因?yàn)楹玫乃惴梢允怪鳈C(jī)模塊電池使用壽命更長 [11]。 軟件總體分為 4個(gè)運(yùn)行模式：調(diào)試模式 (工廠診斷用 )、初始化模式、睡眠模式（休眠）和測(cè)量模式。下面對(duì) 4個(gè)運(yùn)行模式的功能進(jìn)行介紹： (1) 調(diào)試模式 主要執(zhí)行產(chǎn)品出廠的一些內(nèi)部測(cè)試和診斷功能。具體包括傳感器測(cè)試和射頻測(cè)試兩部分。 (2) 初始化模式 接收主機(jī)給定的 ID碼和級(jí)別判定閥值。 (3) 睡眠模式 以最低的功耗運(yùn)行，響應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行要求。 (4) 測(cè)量模式 測(cè)量模式主要完成以下功能： (1) 定時(shí)測(cè)量輪胎壓力、溫度； (2) 壓力在不同級(jí)別區(qū)域內(nèi)有報(bào)警時(shí)，同一個(gè)級(jí)別只上報(bào)一次； (3) 壓力無變化，固定間隔時(shí)間段上報(bào)一次壓力、溫度； (4) 保證系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)每隔一定時(shí)間復(fù)位一次； （ 5）不同級(jí)別報(bào)警同時(shí)出現(xiàn)，則以高溫、高壓、低壓級(jí)別的優(yōu)先級(jí)報(bào)警。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 3 輪胎模塊設(shè)計(jì) 汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路按系統(tǒng)功能劃分，可分為輪胎模塊和主機(jī) 模塊兩大部分。輪胎模塊整體安裝在輪胎內(nèi)，主要完成輪胎壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的初步處理以及信息的無線傳輸功能。主機(jī)模塊安置于汽車駕駛室內(nèi)，主要完成信息的無線接收、數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警控制以及系統(tǒng)特征值設(shè)定等功能。系統(tǒng)硬件功能框圖如圖 所示。 圖 在系統(tǒng)的工作運(yùn)行中，輪胎模塊始終處于封閉環(huán)境中，駕駛室內(nèi)的系統(tǒng)主機(jī)必須依靠無線方式來完成數(shù)據(jù)信息的傳輸，才能將輪胎的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地提供給駕駛員。因此，輪胎模塊與主機(jī)模塊之間的無線通信是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，同時(shí)，這也是系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)之一。 輪胎模塊硬件設(shè)計(jì) 在不斷高速旋轉(zhuǎn)的輪胎內(nèi)部這樣的封閉工作環(huán)境中，要求輪胎模塊功耗低、體積小、重量輕。因此，在設(shè)計(jì)中盡量減少芯片外圍器件的數(shù)量，設(shè)計(jì)面積較小的輪胎模塊電路。三件合一高度集成芯片 MPXY8300 為輪胎模塊的核心部件，從功能、性能上都滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)輪胎模塊實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能，可細(xì)分為核心微控制器、測(cè)量電路和發(fā)射電路 3個(gè)部分。微控制器 MPXY8300 為輪胎模塊的控制和數(shù)據(jù)處理核心單元，集成傳感器、微控制器、射頻發(fā)射模塊一起完成輪胎的壓力和溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)處理 及內(nèi)部自帶的射頻發(fā)射器與其匹配的外圍器件一起構(gòu)成發(fā)射電路。如圖 所示 圖 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 芯片介紹 MPXY8300 是 Freescale 公司的 20 引腳集成芯片，它在一個(gè)芯片上集成了可變電容式壓力傳感單元、溫度傳感單元、加速度傳感單元和數(shù)字接口電路（具有喚醒特性），能夠同時(shí)對(duì)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和處理，并實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的數(shù)字化輸出，以無線射頻的方式發(fā)射出去，該芯片具有 ～ 的寬范圍工作電壓，工作溫度為 － 40℃～＋ 125℃，功耗低，能夠在封閉的輪胎內(nèi)部可靠工作 [12]。 該器件包含以下四個(gè)小器件，它對(duì)每個(gè)小器件都使用了最佳的處理技術(shù)。 (1)內(nèi)置 8位 HCS08 微控制器 (MCU)； (2)內(nèi)置 RF發(fā)射器器件 (RFX)； (3)壓力 /溫度傳感器件 (PCHIP)； (4)內(nèi)置 Z軸和 X 軸加速傳感器 (gCell)。 MPXY8300 工作流程如圖 所示。 MCU 使用標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口 (SPI)和 RFX 進(jìn)行接口連接，從而在 RFX內(nèi)形成獨(dú)立的數(shù)據(jù)和地址總線結(jié)構(gòu)。 PChip 和 gCell 均與 MCU 進(jìn)行接口連 接。 圖 MPXY8300 工作流程 為了實(shí)現(xiàn)低功耗及 20 引腳的超小外形封裝 (SOIC)， MPXY8300 還進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是其內(nèi)部自帶射頻發(fā)射器，非常適合應(yīng)用于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 MPXY8300 的 20 管腳 SOIC 封裝管腳輸出如圖 所示 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 的 20管腳 SOIC封裝管腳輸出 MPXY8300 其主要特性如下 [13]： (1)集成溫度壓力傳感器壓力傳感器，信號(hào)輸出給 ADC； (2)集成 315/434MHZ 鎖相環(huán)射頻發(fā)送器； (3)內(nèi)置 Z軸和 X 軸 加速度傳感器，信號(hào)輸出給 ADC； (4)8 位 MCU 自帶 512B 的 RAM16KB 的 FLASH； (5)過溫保護(hù)； (6)供電電源電量測(cè)量； (7)電池低功耗設(shè)計(jì)； (8)內(nèi)置 LFO 驅(qū)動(dòng)的低功耗喚醒定時(shí)器和周期復(fù)位。 MPXY8300 傳感器工作模式 溫度通過 ADC10 通道 1中內(nèi)置的△ VB 傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，采用固件子例程可以獲得溫度測(cè)量值，固件子程序?qū)⒄_的位排序，獲得與溫度有關(guān)的電壓，然后將其轉(zhuǎn)換為規(guī)定的轉(zhuǎn)換函數(shù)。這個(gè)測(cè)量的輸出可以用作過溫關(guān)閉機(jī)制，在溫度非常高的情況下 (可能對(duì)電池造成過 度壓力 )防止 RF發(fā)射，節(jié)省電能。 電壓測(cè)量可以在內(nèi)部帶隙上進(jìn)行，估算 VDD 上的電源電壓；內(nèi)部帶隙提供內(nèi)部帶隙電壓參考的目的是測(cè)量電源電壓， ADC 轉(zhuǎn)換器采用通道直接進(jìn)行電壓測(cè)量，因?yàn)閹秴⒖伎偸窃? ADC 轉(zhuǎn)換過程中加電，采用固件子例程可以獲得基于帶隙參考計(jì)算的 VDD 電壓測(cè)量值，這個(gè)子程序?qū)⒄_的位排序，獲得與電壓測(cè)量值，然后將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換函數(shù)。 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 加速度測(cè)量包含一個(gè)模擬接口 (ACI)與加速度傳感單元連接。控制單元上的控制位運(yùn)行 ACI給 gCell 供電，獲得電壓，然后由 ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 gCell的信號(hào)調(diào)整先是電容到電壓的轉(zhuǎn)換 (CV)，然后是交換式電容放大器。這個(gè)放大器有可調(diào)的偏移和增益修正 (由修正寄存器設(shè)置 )。超精密壓力傳感器、 CV 轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、緩沖和修正寄存器都在MCU 上， gCell 是單獨(dú)的硅器件，與 PChip， RFX 和 MCU 分開安裝在同一個(gè)封裝中 [14]。 如表 ，傳感器的幾種工作模式是通過引腳 BKGD 的輸入電壓來選擇的。測(cè)量結(jié)果模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換是通過 8級(jí)門限電平比較，采用連續(xù)逼近算法來實(shí)現(xiàn)的。以電壓方式存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果的采樣電容器，其電壓能保持到足夠完成一次 8 位 的 A/D 轉(zhuǎn)換。 表 MPXY8300 的工作模式 S1 S2 工作模式 工作電流 串行數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器 壓力測(cè)量系統(tǒng) 溫度檢測(cè)系統(tǒng) A/D輸出比較 LFO晶體 0 0 空閑 /復(fù)位 OFF OFF OFF ON 工作 0 1 壓力檢測(cè) OFF OFF OFF ON 復(fù)位 1 0 溫度檢測(cè) OFF ON OFF ON 復(fù)位 1 1 數(shù)據(jù)輸出 OFF OFF ON ON 工作 輪胎模塊電路設(shè)計(jì) 發(fā)射電路是實(shí)現(xiàn)輪胎模塊與主機(jī)模塊之間通信的硬件連接，主要由超高頻 (UHF)發(fā)射器、外圍電 路、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線構(gòu)成。 MPXY8300 微控制器內(nèi)部集成射頻發(fā)射模塊 MC33493內(nèi)核，與主機(jī)模塊的射頻接收器 MC33594 相對(duì)應(yīng)的射頻接收芯片進(jìn)行無線通訊。 MC33493內(nèi)部簡(jiǎn)化圖如圖 所示 圖 寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 MC33493