基于MPXY8020傳感器的TPMS系統(tǒng)設計分析

目前出現(xiàn)的TPMS主要分為間接式和直接式。間接式TPMS使用ABS輪胎速度傳感器來測量每一個輪胎的轉速，從而判斷輪胎壓力，該系統(tǒng)雖然具有不用電池、耐用性強等優(yōu)點，但準確性、可靠性差。直接式TPMS系統(tǒng)主要用于汽車行駛時，能夠適時地對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣造成低胎壓和高溫高胎壓導致爆胎進行預警，確保行車安全，因此逐漸成為市場主流。本文主要介紹基于MPXY8020傳感器的直接式TPMS系統(tǒng)設計，并對直接式TPMS的設計難點進行分析。

TPMS系統(tǒng)框圖及系統(tǒng)工作原理

TPMS系統(tǒng)由數(shù)個發(fā)射模塊和一個接收模塊組成。圖1為發(fā)射模塊框圖，該發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi)，通過壓力溫度傳感器可以測量該輪胎內(nèi)氣體的壓力和溫度，發(fā)射端中央處理器負責數(shù)據(jù)處理，并將發(fā)射機ID號、壓力、溫度等信息組幀后經(jīng)曼徹斯特編碼送到RF發(fā)射電路，最后由RF電路將數(shù)據(jù)FSK/ASK調(diào)制后通過發(fā)射天線發(fā)射出去。整個發(fā)射模塊由一只電池供電。

圖2為接收模塊框圖，該接收模塊安裝在駕駛室前端可以方便駕駛員看到的位置。RF接收電路通過接收天線接收發(fā)射模塊的無線信號，并將接收到的信號解調(diào)、解碼后送給接收端中央處理器，中央處理器處理數(shù)據(jù)后根據(jù)ID號將各個輪胎的壓力/溫度值顯示在顯示器相應的位置上，使駕駛員可以隨時了解每個輪胎的壓力溫度信息，確保行車安全，如輪胎發(fā)生異常時接收模塊會自動及時向駕駛員發(fā)出警報。接收模塊可以用車載電源或電池。

圖2　接收模塊

基于MPXY8020傳感器的發(fā)射模塊設計

TPMS系統(tǒng)中發(fā)射模塊的設計采用摩托羅拉的MPXY8020和68HC908RF2，前者為電容式壓力和溫度傳感芯片，后者為MCU和RF發(fā)射電路集成芯片。

發(fā)射模塊硬件電路設計

MPXY8020是專用于TPMS系統(tǒng)的多功能、低功耗的傳感芯片，其內(nèi)部除了壓力和溫度傳感電路外，還具有內(nèi)部喚醒功能的數(shù)字接口電路，如圖3。8020傳感器與MCU的接口有6個端口：S1和S2是8020的工作模式控制端口，根據(jù)MCU對這2個端口的邏輯狀態(tài)控制不同，8020可以分別工作在低功耗的待機模式、壓力測量模式、溫度測量模式及測量數(shù)據(jù)輸出模式；DATA和CLK為軟件控制的串行接口，進行測量數(shù)據(jù)的傳輸；OUT端口為復用端口，8020在待機模式下，可以每3s內(nèi)部自喚醒并通過OUT端口以中斷方式喚醒MCU。當8020在測量數(shù)據(jù)輸出模式時，OUT作為內(nèi)部比較器的邏輯狀態(tài)輸出；RST具有52min復位MCU的功能。

圖3　發(fā)射電路

值得注意的是，8020傳感器的A/D轉換是逐次逼近型的反饋式轉換器，其原理是8020內(nèi)部具有8位移位寄存器，MCU通過8020的DATA和CLK端口首先輸入10000000二進制數(shù)據(jù)，將8位寄存器D/A轉換的模擬量與壓力或溫度的真實測量值進行比較，并判斷OUT端口的狀態(tài)，如果OUT端口為低，說明逼近值大于真實值，此時可以確定真實值最高位為0；如果OUT端口為高，說明逼近值小于真實值，此時可以確定真實值最高位為1。依次類推從高位向低位可以逐次逐位逼近真實測量值，這樣MCU可以確定最終的壓力和溫度測量值。

68HC908RF2內(nèi)部高性能8位處理器主要負責與傳感器的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理及與RF發(fā)射電路的數(shù)據(jù)傳輸與控制。在圖3發(fā)射電路中，PTA1和PTA2作為輸出端口控制8020的工作模式；PTA3和PTA4作為輸出向8020移位輸入測量逼近值；PTA5是復用端，當MCU讀取傳感器的測量值時，PTA5通過OUT獲取比較器的狀態(tài)，當MCU在省電模式時PTA5作為鍵盤中斷輸入端口，通過OUT獲得3s中斷。另外，S1是速度開關，當汽車運行或停止時S1開關可以導通或閉合，這樣MCU就可以根據(jù)車輛運行狀態(tài)對程序作有效處理。

68HC908RF2內(nèi)部還集成一個多頻帶工作的FSK/OOK調(diào)制電路，其工作方式由數(shù)字控制端（BAND和MODE）的邏輯狀態(tài)決定。BAND為工作頻帶選擇端口，將BAND置高，并選擇晶體振蕩器Y1為13.56MHz，此時經(jīng)過32倍頻后產(chǎn)生載波頻率為434MHz的RF信號。MODE為FSK/OOK調(diào)制模式選擇端口，將MODE置高，RF電路工作于FSK模式。

68HC908RF2雖將MCU和RF電路集成于一體，但其接口電路仍需要外部連接，如圖3示。PTB1作為輸出控制RF電路的使能端ENABLE；PTB2和PTB3作為串行口與RF電路的RFDATA和DATACLK相連，經(jīng)過曼徹斯特編碼后的壓力溫度等信息，以二進制數(shù)據(jù)流的方式傳輸給發(fā)射電路， 發(fā)射電路再以FSK方式進行發(fā)射。其FSK工作原理較為簡單，當RFDATA輸入“1”或“0”時，引起CFSK的輸出阻抗的變化，從而切換晶體振蕩器Y1的兩個負載電容C1和C2，負載電容的改變使晶體振蕩器的諧振頻率發(fā)生很小的偏移，這樣經(jīng)過倍頻后FSK信號就可以產(chǎn)生。

發(fā)射模塊固件程序設計

發(fā)射模塊的固件程序從功能上來看較為簡單，但從系統(tǒng)的可靠性、使用壽命等方面來考慮，對程序設計的安全性、經(jīng)濟性、有效性等提出很高的要求。特別是依靠1塊500mAh的鋰電池TPMS發(fā)射機要工作8年以上，除了優(yōu)秀的硬件設計外，固件程序?qū)Πl(fā)射模塊的各個電路進行經(jīng)濟、有效的控制顯得尤為重要。

圖4為簡單的程序流程圖，考慮省電的問題，整個發(fā)射模塊一般時間都處于省電模式。當MPXY80203s中斷喚醒MCU后，MCU立即控制8020進行壓力溫度檢測并獲得壓力溫度測量值，MCU再對測量數(shù)據(jù)進行判斷，看輪胎壓力及溫度是否處于正常狀態(tài)：如果胎壓、溫度正常，再判斷定時發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，如果定時時間沒有到就進入省電模式，定時時間到，則進行組幀、曼徹斯特編碼、發(fā)送RF數(shù)據(jù)，最后再進入省電模式。相反，如果胎壓、溫度異常就直接進入發(fā)送數(shù)據(jù)的程序。

圖4　發(fā)射流程圖

接收模塊設計

本系統(tǒng)接收機采用摩托羅拉的接收芯片MC33594和中央處理器68HC908GT16，顯示器采用液晶顯示屏。

接收模塊硬件電路設計

MC33594是一個具有自動增益控制的高靈敏度的OOK/FSK解調(diào)芯片，內(nèi)部包括混頻、中頻放大、鎖相環(huán)、解調(diào)、數(shù)據(jù)管理及SPI接口等電路。MCU可以通過SPI接口對MC33594的內(nèi)部寄存器進行配置，從而設置該接收芯片的調(diào)制類型、數(shù)據(jù)接收碼速率、RF載波頻率等信息。圖5為TPMS接收電路，MC33594通過接收天線接收發(fā)射機發(fā)射的RF信號，將RF信號解調(diào)后通過SPI接口以中斷方式傳輸給68HC908GT16（MCU），MCU負責處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)，并在必要時啟動報警電路。

圖5　接收電路

接收模塊固件程序設計

接收程序與發(fā)射程序類似，雖然功能簡單，但從可靠性來看，特別當一個接收機要同時接收4個發(fā)射機甚至更多發(fā)射機的數(shù)據(jù)時，接收程序處理數(shù)據(jù)的有效性、及時性顯得更為重要。

圖6為接收機程序流程圖，考慮接收數(shù)據(jù)的有效性，我們設計SPI中斷方式接收數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)幀后MCU解析出發(fā)射機的ID號、壓力值、溫度值等信息，再判斷該發(fā)射機的ID與本接收機內(nèi)存儲的ID是否一致，如果不一致，則丟棄該組數(shù)據(jù)并進入省電狀態(tài)。如果ID一致，則處理數(shù)據(jù)并根據(jù)ID顯示相應輪胎的壓力溫度數(shù)據(jù)，在壓力或溫度超出正常范圍時能及時、準確地報警。

圖6　接收流程圖

無線通訊及協(xié)議

TPMS系統(tǒng)無線通信的設計關乎整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，接收芯片MC33594提供了靈活的軟硬件通信資源。通過軟件對MC33594的內(nèi)部寄存器CR1、CR2、CR3進行編程，設定本TPMS系統(tǒng)的載波頻率為434MHz，無線數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps。發(fā)射模塊與接收模塊的數(shù)據(jù)傳輸采用固定幀長，格式為：幀頭（2字節(jié)）+發(fā)射機ID（4字節(jié)）+壓力數(shù)據(jù)（1字節(jié)）+溫度數(shù)據(jù)（1字節(jié)）+狀態(tài)信息（1字節(jié)）+校驗（1字節(jié)）+幀尾（1字節(jié)）。

其中幀頭包含同步頭、預設的ID信息（用于RF信號識別）、報頭標志（為二進制曼徹斯特編碼0110），同步頭用于喚醒MC33594的內(nèi)部電路，并通過PLL鎖定RF載波頻率；預設的ID信息用于識別系統(tǒng)信息的匹配；如果預設的ID信息匹配，則啟動數(shù)據(jù)管理器，再判斷報頭是否到達，收到報頭后正式接收數(shù)據(jù)。

TPMS系統(tǒng)設計中的難點分析

信號可靠性要求

TPMS是一個測量胎壓、溫度等，涉及安全信息的無線收發(fā)系統(tǒng)，其信號可靠性是設計中始終要考慮的問題。該信號可靠性包括兩個方面：數(shù)據(jù)接收率和誤碼率。數(shù)據(jù)接收率是指接收機能否可靠地收到發(fā)射機發(fā)射的每一幀數(shù)據(jù)，不僅涉及接收機的靈敏度和發(fā)射機的發(fā)射功率，還有一個重要的影響因素：當發(fā)射機裝入輪胎而接收機放入車內(nèi)時，車體本身相當于一個屏蔽盒，對信號的衰減相當大，再加上多個發(fā)射機的數(shù)據(jù)沖突及周圍環(huán)境的干擾等，導致系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收率較低。誤碼率是指發(fā)射機發(fā)射的信號在傳輸途中因為外界環(huán)境干擾致使接收機收到錯誤的數(shù)據(jù)信息，導致系統(tǒng)可靠性降低。

在基于MPXY8020的TPMS設計中，我們采用高增益的發(fā)射天線及匹配電路使發(fā)射功率達到理想的設計要求，特別在接收端除了匹配電路設計外，一方面，根據(jù)汽車上無線電傳輸路徑的研究分析，采用雙天線的接收模式；另一方面，根據(jù)多發(fā)射機發(fā)射信號的隨機性和沖突性，采用時差間隙發(fā)送數(shù)據(jù)的方式進行發(fā)射，并在接收軟件的設計中采用中斷接收循環(huán)處理的接收模式，這樣TPMS信號 接收率可高達98%以上。另外在軟件設計中對傳輸數(shù)據(jù)采用多種校驗方式相結合的方法，使系統(tǒng)的誤碼率大為降低。

當然，頻繁的發(fā)射數(shù)據(jù)可以增加接收機接收數(shù)據(jù)的幾率，從而提高系統(tǒng)可靠性，但這樣會大大降低電池的使用壽命。

環(huán)境要求

TPMS作為汽車上應用的產(chǎn)品，其環(huán)境適應方面要求相當嚴酷，特別是發(fā)射機，除了溫度范圍寬以外，還要達到防水、防鹽霧、抗振動、抗沖擊、電磁兼容等諸多要求。這樣對原材料提出很高的要求，比如電池的工作溫度必須達到-40～125℃；發(fā)射機外殼必須采用高強度、高韌性、耐高低溫的材料等。TPMS發(fā)射機的生產(chǎn)工藝也要求很高，比如采用密封、灌膠等工藝，還要在生產(chǎn)過程中設計諸多的環(huán)境試驗。

關鍵元器件之一的電池，采用TADIRAN的TLH2450電池，達到溫度的設計要求；結合發(fā)射機外殼的環(huán)境要求和基于對各種塑料材料的特性分析，采用尼龍、玻纖等合成材料設計發(fā)射機外殼，達到了抗振動、抗沖擊、耐高低溫等設計要求；另外，對發(fā)射機的制作采用灌膠密封的方式，即使將發(fā)射機全部浸沒水中，也可以正常發(fā)射數(shù)據(jù)。

體積重量要求

TPMS發(fā)射模塊要裝入輪胎內(nèi)，則體積不能過大，太大會給輪胎安裝、拆卸造成很大的問題；其次，發(fā)射模塊的重量要很輕，否則會對輪胎的動平衡產(chǎn)生影響。因此在TPMS的設計中，對發(fā)射模塊的體積和重量都作了嚴格的限制，達到了體積小、重量輕的設計要求。

使用壽命要求

TPMS的使用壽命一般要達到8～10年，這對僅靠一只500mAh的電池（電池容量過大會增加發(fā)射模塊的體積和重量）維持工作的發(fā)射機的設計確實是不小的難題。除了硬件電路的設計功耗要極小以外，TPMS發(fā)射機的固件設計相當重要，在保證系統(tǒng)可靠性要求的前提下，發(fā)射機的傳感器測量次數(shù)、RF數(shù)據(jù)發(fā)射次數(shù)都要作嚴格控制。因此，設計者往往要在系統(tǒng)可靠性及壽命要求的矛盾中作優(yōu)化。

在基于8020傳感器的TPMS設計中，考慮到發(fā)射機以3s中斷喚醒MCU的方式進行工作，其發(fā)射模塊大多時間都在省電狀態(tài)，因此對省電狀態(tài)的功耗設計達到0.6uA以下，另外在電池極端壽命的實驗下基于對發(fā)射機發(fā)射次數(shù)的統(tǒng)計，理論計算該TPMS系統(tǒng)的壽命高達10年以上。

結 語

直接式TPMS系統(tǒng)在產(chǎn)品化設計中面臨諸多難點。作為汽車安全產(chǎn)品，應更多關注其系統(tǒng)的失效分析。隨著TPMS技術的不斷發(fā)展，新的TPMS技術方案集成度越來越高，特別是將傳感器、MCU、發(fā)射電路集成于一體后，不但發(fā)射模塊的體積更小、重量更輕，其性能、功能等都有很大的提高，如增加了LF、LVD、加速度測試等功能，甚至通過CAN總線使TPMS系統(tǒng)與整車電子系統(tǒng)相連，從而實現(xiàn)信息共享。