【正文】 安裝完成到起車本來就可能有一段比較長的時間，所以這段時間的漏幀并不會對系統(tǒng)造成任何不利的影響。 TPMS 從系統(tǒng)角度考慮，如果確定了系統(tǒng)所需使用的主要芯片，則系統(tǒng)總體方案也隨之確定，因為隨 后的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此，下面將講述本系統(tǒng)方案中主要芯片的選型，選型時綜合考慮性能、價格、供貨等因素。 TPMS 傳感器是包括壓力傳感器、溫度傳感器、電池電壓檢測、內(nèi)部時鐘等組件的智能傳感器。目前主要有硅集成電容式壓力傳感器，如 Freescale 的MPXY80 MPXY8040，和硅壓阻式壓力傳感器，如 GE 的 NPXI、 NPXII 和 Infineon的 SP1 SP30。電容式壓力傳感器是將壓力的變化轉(zhuǎn)化成電容量，通過檢測電容量來判斷壓力的大小，具有動態(tài)響應(yīng)時間小、靈敏度高和受環(huán)境影響 小等特點。壓阻式壓力傳感器則是采用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變化測量電路的，具有精度高，易于微型化和集成化等特點。但是由于半導(dǎo)體材料對溫度極為敏感，所以其性能受溫度影響較大，產(chǎn)品的一致性較差。 傳感器是直接式汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的器件，主要從以下幾個方面考慮： 滿足 40～ 125℃的使用溫度范圍要求。 為實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗，選擇能夠檢測加速度的傳感器。 能夠檢測電池電壓，低電壓時報警。 檢測精度要高。 下面首先簡要的介紹目前幾種主要傳感器的性能與特點，然后再對它們進(jìn)行比較并給出選擇方案。 GENPX 系列傳感器： NPXI 集成了壓力傳感器、溫度傳感器、電壓檢測、一個8 位微處理器、 4K 字節(jié)的用戶可編程空間、 4K 字節(jié)的定制 ROM 以及一個 LF 輸入，所有測量信號經(jīng) 12 位 ADC 轉(zhuǎn)換后都以數(shù)字信號輸出。在 4K 字節(jié)的定制 ROM 中，固化了特有的壓力、溫度和電壓測量、補償和校準(zhǔn)程序，以及其它實用子程序，這都可以簡化編程的難度。 2021 年 4 月， GE 推出新一代 TPMS 傳感器 NPX，它比NPXI 多集成了一個加速度傳感器，使得模塊性能更加完善。 NPX 只需配備簡單的外圍電路，就可以組成一個完整的模塊。 NPX 傳感器有如下特 性： 8 位 RISC（精簡指令）微處理器， 12 位 ADC， 4K 字節(jié)閃存（ EROM），4KROM 系統(tǒng)程序， 128 字節(jié) RAM， 128 字節(jié) EEPROM， LF（低頻） 接口電路， LF、定時、加速度傳感器、外部（運動開關(guān)） 4 種喚醒方式，空閑、校準(zhǔn)、停機、熱保護(hù)停機 4 種工作狀態(tài)，壓力、溫度和電池電壓的測量、運行補償和兼容輪胎壓力介質(zhì)， 450、 700 和 1400Kpa 絕對壓力范圍，傳感器斷線檢測，電池管理 最小化功耗，芯片內(nèi)置高溫停機功能，看門狗 /時間間隔定時器，結(jié)構(gòu)設(shè)計堅固，可承受 5 次 5000g 的跌落試驗，采用的多晶硅主動防 護(hù)設(shè)計能極大的提高設(shè)備的電氣穩(wěn)定性，同時共晶結(jié)合封裝技術(shù)產(chǎn)生機械應(yīng)力小 [33]。 InfineonSP 系列傳感器： Infineon 面向汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用推出SP12/12T 傳感器。該器件是基于 MEMS 技術(shù)的硅壓阻式壓力傳感器，采用高精度半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，它整合了壓力與加速度傳感器、溫度傳感器和一個電池電壓監(jiān)測器，提供四合一傳感功能 [34]并配有一個能完成測量、信號補償與調(diào)整及 SPI 串行通信接口的 CMOS 集成電路。 SP12 是由 MEMS 壓力傳感器和半導(dǎo)體 SOC 電路，用 集成電路工藝做在一個封裝里的。在封裝的上方留有一個壓力 /溫度導(dǎo)入孔，將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上，周邊固定的圓形應(yīng)力薄膜內(nèi)壁由半導(dǎo)體應(yīng)變片組成惠斯頓測量電橋；同時這個孔將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。為了便于 TPMS 接收器的識別，每個壓力傳感器都具有唯一的 ID。 檢測精度方面：硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，其測量精度能達(dá) ～ %FS。 測量可靠性方面：由于傳感器的工作環(huán)境比較惡劣，在不同溫度和不同信號供電電壓等情況下會出現(xiàn)漂移 ， SP12 設(shè)有補償功能，可以對壓力，加速度，溫度，供電電壓信號進(jìn)行檢測和補償，準(zhǔn)確提供不同型號輪胎在不同環(huán)境時的正確補償值，有效地保證了測量可靠性。 低功耗方面：由于傳感器電池不能更換，為了保證 TPMS 發(fā)射模塊在一節(jié)鋰電池下能盡可能長時間工作，系統(tǒng)低功耗節(jié)電是一個十分重要的課題，因此只有在大多數(shù)時間讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，才能省電與延長電池壽命。 Infineon 的 SP12傳感器首先是采用了喚醒瞬態(tài)工作模式，當(dāng)它工作在睡眠工作模式時其功耗僅 微安秒，二是在傳感器模塊中增加了加速度傳感器，利用其質(zhì)量塊對運動的敏 感性，可以實現(xiàn)汽車啟動自動開機，才進(jìn)入系統(tǒng)自檢，而如果檢測到加速度很小時（表示汽車沒有運動）讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，大大地降低系統(tǒng)功耗 [35]。 Infineon 最近推出的 SP30 傳感器模塊具有 SP12 的所有功能，并且在此基礎(chǔ)上集成了 Philips 公司的微控制器，大大的縮小了芯片的體積和模塊總體價格，提高了產(chǎn)品的競爭力。 MotorolaMPXY8020 傳感器： Motorola 公司的 MPXY8020 傳感器是一個 8 引腳的硅集成電容式壓力傳感器。它成有一個可變電容的壓力感應(yīng)元件、一個溫度感應(yīng)元件和一個有喚醒功能的內(nèi) 電路，并采用 SSOP 超小型封裝，同時還內(nèi)置一個媒介保護(hù)過濾器和用于低功耗系統(tǒng)（可以使其硅片免受環(huán)境影響）。它可以和Motorola 的 RKE 系統(tǒng)結(jié)合成一個低成本高度綜合的系統(tǒng)。 MPXY8020 測量的壓力范圍為 ，測量的溫度范圍為 0℃～ 125℃。該傳感器有 4 個操作模式：待機模式、測定氣壓模式、測定溫度式和輸出數(shù)據(jù)讀取模式。它要求控制器至少提供 5 個引腳： 2 個用于控制其操模式， 2 個用于數(shù)據(jù)串行交換，另外 1 個用于接收數(shù)據(jù)。 MPXY8020 還具有復(fù)位引腳，復(fù)位引腳作為一個輸出端子，此端子大約每 50 分鐘 向控制器發(fā)送一復(fù)位信號。微控制器連接傳感器，定期向傳感器檢測氣壓和溫度等數(shù)據(jù)。由于該系列傳感器沒有加速度傳感，因此最好能外接一個加速度檢測開關(guān)來判斷汽車是否開動，在停車時少或不發(fā)送數(shù)據(jù)，以節(jié)省電能。 傳感器、微處理器以及無線射頻收發(fā)電路集成為復(fù)合芯片是 TPMS 的發(fā)展趨勢之一，復(fù)合芯片有助于提高系統(tǒng)可靠性、降低功耗、減小體積、降低成本、簡化設(shè)計、縮短開發(fā)時間。由于考慮到開發(fā)資源、成本以及設(shè)計的靈活性，選用獨立的芯片來開發(fā)本系統(tǒng)。 我們對 SP12 和 MPXY8020 性能進(jìn)行比較，用以作為確定本系統(tǒng)傳感器選擇的依據(jù) ，如表 1 所示。表 1 SP12 和 MPXY8020 的性能比較 Table1 Performance parison between SP12 and MPXY8020 SP12 MPXY8020 單位 壓力 測量范圍 100～ 450 250～ 450 kPa 測量精度 kPa 測量時間 6 ms 溫度 測量范圍 40～ 125 40～ 125 ℃ 測量精度 1 ℃ 測量時間 ms 加速度 測量范圍 12～ 11 g 測量精度 g 測量時間 6 ms 電壓 測量范圍 ～ V 測量精度 V 測量時間 17 ms 功耗 待機電流 μ A 從上述分析可以看到兩者都能夠提供壓力、溫度和供電電壓的檢測，并帶數(shù)據(jù)接口。 SP12將加速度檢測也集成在芯片中了，而 MPXY8020 的測量時間較短，但它沒有加速度檢測功能。 為了省電，發(fā)射器只有在必要的時候才發(fā)射數(shù)據(jù)，其余時間要處于休眠狀態(tài)，可以有很多判據(jù)來決定是否發(fā)射。由于加速度傳感器可以利用其質(zhì)量塊對運動的敏感性，實現(xiàn)汽車啟動自動 開機，進(jìn)入系統(tǒng)自檢，并且可根據(jù)汽車運動速度來自動確定檢測周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險期，從而設(shè)計出具有縮短檢測周期和提高預(yù)警能力的軟件程序，以達(dá)到省電的目的，而且不需要增加任何其它外圍設(shè)備。因此本系統(tǒng)決定采用有內(nèi)置加速度檢測功能的傳感器。 Motorola 公司的 MPXY 系列傳感器不具備加速度檢測功能，而 SP12 是一種具有內(nèi)置加速度檢測功能的傳感器，并可方便地與微控制器之間進(jìn)行通信，因此本設(shè)計最終選擇的是 Infineon 公司的傳感器 SP12。 無線收發(fā)芯片用于實現(xiàn)輪胎模塊和中央接收模塊之間的通信，其性 能關(guān)系到無線通信的可靠性。由于汽車內(nèi)存在無線電干擾和屏蔽問題，芯片發(fā)射距離會受到嚴(yán)重影響，要達(dá)到可靠的無線通信，無線收發(fā)芯片的發(fā)射功率要盡可能大，接收靈敏度盡可能高。但發(fā)射功率不能超過 +10dBm，如果超過，整個產(chǎn)品和系統(tǒng)要接受無線電管制委員會管制。另外，由于 TPMS 輪胎模塊要求體積小，便于安裝在輪胎上，選擇小體積的收發(fā)芯片也是必須考慮的因素。射頻發(fā)射芯片還要考慮待機功耗和晶振啟動時間。晶振啟動時間功耗。假定一個完整的數(shù)據(jù)幀是 100位，數(shù)據(jù)速度是 9Hz，每位約 。那么發(fā) 100 位要 10ms。為了降低功 耗，我們希望射頻發(fā)射芯片工作的時間盡可能短。如果普通晶體穩(wěn)定時間需要 1ms，芯片發(fā)射功耗是 10mA，則在穩(wěn)定時間內(nèi)消耗電量為 10mAms，而如果用 200μ s 的晶振啟動時間的芯片則功耗為 2mAms，因此快速的晶振啟動能有效的延長電池壽命。 目前，射頻發(fā)射芯片主要制造商有： Atmel、 Infineon、 im 等，經(jīng)過對它們進(jìn)行比較，如表 2 所示， 1479 在性能上最符合設(shè)計要求，并且價格較低，有較好的性價比，因此射頻發(fā)射芯片采用 in 公司的 1479。表 2 射頻芯片的性能比較 Table22 Performance parison of RF chip 芯片 1479 T5754 TDK5100F TDK5110 公司 in Atmel Infineon Infineon 傳輸電流 /FSK（ mA） 7 輸出功率（ dBm） 10 5 10 待機功耗（ nA） 小于10 晶振啟動時間（ ms） N/A 1 1 封裝尺寸（ mm） 3*3 3*3 3*3 * 相對應(yīng)射頻接收芯片采用 in 公司的 1471， 1471是一款低功耗射頻接收 器，用于接收幅移鍵控（ ASK）與頻移鍵控（ FSK）數(shù)據(jù)，而不需要重新配置器件，也不會像通常改變調(diào)制方案那樣引入延時。 1471 需要很少的外部元件，可以實現(xiàn)完整的無線射頻數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接收器，工作在 300MHz 至450MHz 頻段。采用 32 引腳薄型 QFN 封裝，適用于 40176。 C 至 +125176。 C 汽車級溫度范圍。射頻輸入靈敏度在 FSK 模式下為： 108dBm，因此十分適合系統(tǒng)的設(shè)計要求。 輪胎模塊的微控制器的選擇要求是低功耗和汽車級使用溫度，為微控制器能夠達(dá)到電低功耗的要求，睡眠模式最重要。微芯公司的超低功耗 PIC16F63X 系列產(chǎn)品在完全關(guān)閉器件上的包括 RAM 存儲在內(nèi)的所有功能，電流消耗僅 1nA（ WDT不使能），在 WDT 使能下僅 。時鐘系統(tǒng)是微控制器功耗的關(guān)鍵，應(yīng)用可以每秒多次或者幾百次進(jìn)入與退出各種功耗模式。進(jìn)入和退出低功耗模式以及快速處理數(shù)據(jù)的功能非常重要：，因為 CPU 會在等待時鐘穩(wěn)定下來期間浪費電流。大多低功耗微控制器都具有“即時啟動”時鐘，可以在不到 510μ s 時間內(nèi)為 CPU準(zhǔn)備就緒。微芯的 PIC16F63X 內(nèi)置 2 個時鐘源 8M 和 31K，高達(dá) 8 種時鐘頻率。因此，本系統(tǒng)輪胎模塊內(nèi)的微控制器采用微芯公司的 PIC16F636 芯片，控制 SP12傳感器芯片的數(shù)據(jù)讀取過程，并有效地控制數(shù)據(jù)幀的采集和發(fā)射，減小整個輪胎模塊的功耗。 接收模塊的軟件設(shè)計要求嵌入系統(tǒng)，采用 ARM 微控制器 LPC2119。 LPC2119是 Philips公司生產(chǎn)的一款基于支持實時仿真和跟蹤的 16/32位 ARM7微控制器，帶有 128 KB 嵌入的高速 Flash 存儲器。獨特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用 16 位 Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過 30 % ，而性能的損失卻很小。 LPC2119 內(nèi)部集成 2 個 CAN 控制器，適合以后系統(tǒng)的功能擴展，性能符合設(shè)計要求，并且性價比高，降低了系統(tǒng)的成本。 鋰亞電池優(yōu)秀的高低溫特性使其成為目前 TPMS 能源的選擇。傳統(tǒng)的鋰電池在 40℃低溫時喪失電能，在 +100℃高溫時會自動放電，而鋰亞電池能滿足 TPMS寬溫度范圍的要求。由于鋰亞電池要向模塊提供 5 年以上的工作能源，因此胎壓監(jiān)測模塊的整體電源管理十分重要。 ABLE 公司設(shè)計的型號為 ER34105 電池，該電池性能指標(biāo)如下： 空載電壓： ，負(fù)載電壓： 容量： 工作溫度： 40℃到 125℃ 保存時間： 10 年以 上 焊腳紐扣型，外殼加厚，可焊在 PCB 上，安裝更牢固，防振動性更好。 因此本系統(tǒng)采用 ER34105 電池。 綜上所述，最終本 TPMS 方案選定的主要芯片如下： 傳感器： SP12（ Infineon 公司） 射頻芯片： 1479（發(fā)射）、 1471（接收） 微控制器： PIC16F636（發(fā)射）、 LPC2119（接收） 電池： ER34105 本章主要描述了 TP