無(wú)線(xiàn)接口電路設計及其在TPMS中的應用

1 TPMS系統總體設計
1.1系統工作原理
TPMS系統主要由安裝在汽車(chē)輪胎內的壓力、溫度傳感器，信號處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊，安裝在汽車(chē)駕駛臺上的包括數字信號處理單元的RF接收器以及LCD組成。
一般情況下，一輛轎車(chē)需要4個(gè)TPMS發(fā)射模塊和1個(gè)TPMS接收器；而一輛卡車(chē)需要6～12個(gè)TPMS發(fā)射模塊。為了提高系統的接收能力和抗干擾能力，系統安裝時(shí)需要在汽車(chē)底盤(pán)安裝接收天線(xiàn)。由SP12傳感器、微控制器、MC33493發(fā)射模塊、MC33594接收模塊等主要芯片組成的TPMS系統方案結構框圖如圖1所示。

圖1中，溫度壓力傳感器將采集到的溫度壓力數據通過(guò)I2C總線(xiàn)或RS232接口送到單片機，單片機發(fā)送一使能信號ENABLE給發(fā)射器。當為高電平時(shí)，發(fā)射機開(kāi)始工作，產(chǎn)生一個(gè)數據時(shí)鐘信號給單片機，用于信號的同步。此時(shí)，單片機發(fā)送數據給發(fā)射機，發(fā)射機將得到的數據通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。接收機通過(guò)天線(xiàn)接收到信號后，首先置RESET引腳(用于設置主從模式)為一低電平，此時(shí)微控制器為主機，通過(guò)MOSI線(xiàn)來(lái)設置作為從機的接收器內的寄存器，設置好以后置RESET腳為高電平。此后微控制器為從機，而接收器就變?yōu)橹鳈C。它產(chǎn)生時(shí)鐘信號，通過(guò)MOSI線(xiàn)將接收到的數據發(fā)送給單片機。此時(shí)單片機(帶有SPI接口)通過(guò)SPI接口與PC機實(shí)現簡(jiǎn)單的連接，以達到在PC機上顯示報警的作用。
1．2系統設計的幾點(diǎn)考慮
①由于TPMS發(fā)射模塊工作在劇烈振動(dòng)、環(huán)境溫差變化大和不便于即時(shí)檢修的條件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和穩定性，能適應工作在-40～+125℃溫度范圍。為了縮小TPMS發(fā)射模塊的體積、節省功耗和增強功能，需要盡可能地選用具有多種功能的小型射頻收發(fā)芯片。
②隨著(zhù)能源問(wèn)題越來(lái)越被重視，系統節能成為本設計考慮的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。為了提高TPMS發(fā)射模塊在一節鋰電池下的工作時(shí)間，應該在大多數時(shí)間內讓系統進(jìn)入睡眠狀態(tài)。喚醒TPMS系統中的發(fā)射部分，可采用這樣一種方法：在傳感器模塊中增加加速度傳感器，利用其對運動(dòng)的敏感性，實(shí)現汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)開(kāi)機進(jìn)入系統自檢；汽車(chē)高速行駛時(shí)按運動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測時(shí)間周期，利用軟件設定安全期、敏感期和危險期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預警能力。喚醒TPMS系統的接收部分，可以利用接收機的一個(gè)引腳STROBE。在一個(gè)周期內，當檢測到有效的ID時(shí)，STROBE置高電平，此時(shí)接收芯片就由休眠狀態(tài)轉為運行狀態(tài)。

2 系統硬件組成及電路設計
2. 1 TPMS系統主要硬件組成
TPMS系統主要由TPMS傳感器、微控制器和無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)模塊幾個(gè)部分組成。
(1) TPMS傳感器
TPMS傳感器是一個(gè)集成了半導體壓力傳感器、溫度傳感器、數字信號處理單元和電源管理器的SoC模塊。為了強化胎壓檢測功能，有不少TPMS傳感器模塊內還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內部時(shí)鐘、看門(mén)狗和帶12位ADC、4KB Flash、2KB ROM、128 B RAM、128 BEEPROM及其他功能的ASIC數字信號處理單元。這些功能單元使得TPMS傳感器不僅能實(shí)時(shí)檢測汽車(chē)開(kāi)動(dòng)中的輪胎壓力和胎內溫度的變化，而且還能實(shí)現汽車(chē)移動(dòng)即時(shí)開(kāi)機、自動(dòng)喚醒和省電等功能。
(2)微控制器
這里微控制器采用Atmel公司推出的一種小型單片機89C205l，片內含有2KB的Flash程序存儲器和128 B的片內 RAM。89C2051共20引腳。其中P1口8腳，可以作為一般的準雙向端口，在引腳的驅動(dòng)能力上，具有很強的下拉能力。工作電壓為2.7～6V。當工作電壓在3V時(shí)，電流相當于6V工作時(shí)的1／4，空閑時(shí)為1mA，掉電時(shí)僅為20mA。這樣小的功耗很適合于電池供電的小型控制系統。主要特點(diǎn)為采用Flash存儲器技術(shù)，其軟件、硬件與MCS-5l完全兼容。其片內程序的電可擦寫(xiě)特性，使得開(kāi)發(fā)與試驗比較容易。
(3)無(wú)線(xiàn)射頻發(fā)射芯片MC33493
摩托羅拉的MC33493器件是高溫集成UHF無(wú)線(xiàn)電發(fā)送模塊?？蛇M(jìn)行OOK(On-Off Keying)或者FSK(Frequency Shift Keying)兩種調制方式。該芯片采用TSSOP-14封裝，工作在300～450 MHz頻段；具有FSK和OOK調制和解調能力，抗干擾能力強，適合工業(yè)控制應用；采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩定性好；具有較小的發(fā)射功率，最大發(fā)射功率達O.18mW；數據速率可達9.6kb／s；1.9～3.6V低工作電壓；功耗低，發(fā)射時(shí)電流11.6mA，發(fā)射待機狀態(tài)僅為O.8μA(工作溫度在125℃)。
(4)無(wú)線(xiàn)射頻接收芯片MC33594
摩托羅拉的MC33594器件是高溫集成UHF超外差無(wú)線(xiàn)電接收模塊。該芯片采用LQFP-24封裝，工作頻率在300～450MHz頻段，電壓在4.5～5.5V范圍內；接收靈敏度高達-103dBm。芯片最大的特點(diǎn)是帶有一串行外設接口SPI(Serial Peripheral Intelface)。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接口使用四條線(xiàn)：串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCK)，主機輸入／從機輸出數據線(xiàn)MISO，主機輸出／從機輸入數據線(xiàn)MOSI和低電平有效的從機選擇線(xiàn)RESET。

2．2 TPMS系統中的無(wú)線(xiàn)接口電路硬件設計
TPMS系統設計中較關(guān)鍵的一點(diǎn)是數據的傳輸部分。整個(gè)數據傳輸部分由兩部分組成：一是駕駛室中的無(wú)線(xiàn)接收部分，另外一部分是輪胎中的無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分。這兩部分數據傳輸的準確性、穩定性，將是系統優(yōu)良性能的重要體現。
(1)無(wú)線(xiàn)發(fā)射接口電路設計
無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路由發(fā)射芯片MC33493、AT89C2051單片機和電平轉換電路構成，如圖2所示。發(fā)射模塊中，引腳3(BAND引腳)接3V高電平，表示系統發(fā)射頻率為434MHz，用于選擇工作頻率；引腳14(MODE引腳)接高電平，表示系統選擇FSK調制模式。FSK調制方式定義為一個(gè)信號的兩個(gè)不同的頻移值分別表示數字高、低兩種電平。在這個(gè)系統中，低頻移表示數字高電平，高頻移表示數字低電平。發(fā)射芯片的FSK調制方式由與晶振串聯(lián)的下拉負載電容C1來(lái)實(shí)現。與CFSK引腳相連的有一內部開(kāi)關(guān)，用以選通下拉電容C1。當DATA=O時(shí)(MODE引腳置高電平)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，此時(shí)輸出高頻移；當DATA=1時(shí)，開(kāi)關(guān)接通，此時(shí)輸出低頻移，這就實(shí)現了FSK調制方式，也就是說(shuō)，如果載波頻率是433.92MHz而且總的頻偏是士△f(MHz)，則數字高電平表示為433.92MHz-△f，數字低電平表示為433.92 MHz+△f。
由于MC33493工作電平最大為3V，而微控制器89C2051工作電平最大為5V，要實(shí)現連接就必須進(jìn)行電平轉換。系統供電為5V，通過(guò)電平轉換電路為發(fā)射芯片供電。其發(fā)射芯片MC33493通過(guò)電平轉換芯片與單片機相連，實(shí)現數據的雙向傳送。它與89C2051單片機及接收機一起構成無(wú)線(xiàn)數據發(fā)射系統。
(2)無(wú)線(xiàn)接收接口電路設計
無(wú)線(xiàn)接收接口電路主要由接收芯片MC33594與AT89C2051單片機構成，如圖3所示。接收芯片MC33594通過(guò)SPI接接口與單片機AT89C2051的I／O口相連。該電路中，利用AT89C2051單片機的I／O口模擬SPI接口，通過(guò)用軟件控制的方式來(lái)進(jìn)行數據的傳送；
利用并口P1.1來(lái)模擬SPI的SCK輸出端，P1.2模擬MCU的數據輸出端(MOSI)，P1.3模擬SPI的數據輸入端(MISO)，P1.4模擬SPI的從機選擇端RESET。在接收之前，首先置RESET引腳為低電平，使接收機變?yōu)閺臋C，而單片機變?yōu)橹鳈C。單片機通過(guò)MOSI信號線(xiàn)將單片機內的程序寫(xiě)入接收機的配置寄存器里對接收機進(jìn)行配置，配置好后再置：RESET引腳為高電平。此時(shí)單片機變?yōu)閺臋C，而接收機變?yōu)橹鳈C，它產(chǎn)生時(shí)鐘信號，同時(shí)數據由RFIN端接入，經(jīng)低噪聲放大器放大后送入混頻器，使其變換成中頻。在中頻級，經(jīng)變換的信號在送入解調器之前被放大和濾波。

為了與MC33594接收機所設定的SPI工作狀態(tài)在邏輯時(shí)序上協(xié)調一致，要使串行時(shí)鐘輸出P1.1的初始狀態(tài)為1，在選通
MC33594后，置P1.1為O。此時(shí)AT89C2051單片機輸出1位SCK時(shí)鐘，同時(shí)，使MC33594串行左移，從而輸出1位數據至AT80C2051單片機的P1.3(模擬MCU的MISO線(xiàn))，再置Pl.1為1，使AT89C2051單片機從P1.O輸出1位數據(先為高位)至AT89C2051單片機。至此模擬1
位數據輸入輸出完成。以后再置P1.1為0，模擬下一位的輸入輸出。依此循環(huán)8次，可完成1次通過(guò)SPI傳輸8位數據的操作。其程序包括MCU串行輸入、串行輸出和串行輸入／輸出3個(gè)子程序。MCU串行輸入是從接收機的MISO線(xiàn)上接收8位數據并放入寄存器R0中；串行輸出是將AT80C51單片機中R0寄存器的內容傳送到接收機的MOSI線(xiàn)上；串行輸入／輸出將AT89C2051單片機R0寄存器的內容傳送到MC33594的MOSI線(xiàn)上，同時(shí)從MC33594的MISO線(xiàn)上接收8位數據。由MOSI引腳將接收到的數據送入到單片機，這樣數據就可以在PC機上進(jìn)行顯示了。

3 系統軟件流程設計
3. 1通信協(xié)議
為了實(shí)現4個(gè)輪胎模塊與中央接收模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的目的，發(fā)射機和接收機都需要按要求支持一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議。數據以9600bps的速率傳送，采用FSK調制時(shí)，其發(fā)射方必須采用曼徹斯特編碼方式，只有這樣的碼型接收機才能夠接收。曼徹斯特編碼就是一個(gè)數字信號值在每一個(gè)比特位周期內作高、低電平之間切換。前半周期低電平后半周期高電平表示數字O，而先高后低表示數字1。輪胎模塊以數據包(幀)的形式發(fā)送數據，當輪胎模塊中的MCU決定要發(fā)送數據(由傳感器采集到的溫度、壓力數據)時(shí)，通過(guò)發(fā)送數據幀的前導位喚醒接收模塊，隨后發(fā)送數據幀，其數據幀格式如下：

①前導位。前同步碼的長(cháng)度為16位位且總設置為0xFB86。這樣處理有三個(gè)目的：
◇0xF(1111)――Romeo2至少需要4位的前同步碼來(lái)喚醒它，并讓它的內部電路穩定。
◇0xB8(1100 1000)――Rome02中的寄存器2被編程為0xB8，這樣使前同步碼中的0xB8數據被驗證并接通數據管理器。
◇0x6(0110)――Romeo2中報頭被使能，它指示有實(shí)際的數據跟隨(以設備ID開(kāi)始)。
②設備ID。設備ID長(cháng)度為32位。當每一個(gè)TPM輪胎模塊MCU(RF2)被刷新，設備ID被編程地址為0x7800～0x7803。這個(gè)lD在實(shí)際中有很多用處，比如制造商的信息等；但是在這個(gè)演示模塊中，它僅被用來(lái)專(zhuān)門(mén)表示辨認輪胎的信息，所以ID的4個(gè)字節在每一個(gè)數據幀接收后都要被檢測。如果ID不匹配，數據幀就會(huì )被忽略。當接收機發(fā)現某個(gè)ID匹配，它就修改狀態(tài)字節來(lái)指示輪胎的位置。
③壓力值。壓力數據占8位，代表測量的輪胎壓力值。
④溫度值。溫度數據占8位，代表被測量的輪胎溫度值。
⑤狀態(tài)位。狀態(tài)位長(cháng)度為8位，用以表示輪胎模塊的電源電壓的變化及對應輪胎ID匹配的位，目的是不需要接收機的MCU重復檢查輪胎ID。
⑥校驗和。校驗和長(cháng)度為8位，它的內容取決于傳輸數據，主要是為了提高傳輸數據的可靠性。
⑦停止位。停止位的長(cháng)度為2位，用來(lái)指示數據幀的結束。

3. 2輪胎模塊傳輸程序流程
因為輪胎模塊要適應長(cháng)期工作，考慮到輪胎運轉的平衡等因素又不能選擇大的電池，因此輪胎模塊傳輸程序的算法選擇不但要保證數據的可靠傳輸，同時(shí)還要保證最低的電能消耗。
(1)發(fā)射模塊發(fā)射程序流程
關(guān)閉中斷后，進(jìn)行電源檢測。若壓力差值△1大于存儲在ROM里設定的最大壓差值△2，則說(shuō)明輪胎的壓力超限，需要報警。此時(shí)為增加接收機接收數據的可靠性，連續發(fā)送255幀。若其△1△2，只發(fā)送1次數據幀。發(fā)射程序流程如圖4所示。

(2)接收模塊接收程序流程
接通電源后，接收機先后自行初始化和配置。一旦確認接收機配置完成，所有的LED就閃爍一次告知使用者模塊準備就緒。在收到一個(gè)數據幀后，就要重新計算校驗并與已經(jīng)接收到的數據幀進(jìn)行比較。數據幀經(jīng)過(guò)確認后，某個(gè)輪胎和ID則要與存儲在KX8存儲器中的4個(gè)ID值比較。如果發(fā)現一個(gè)相配的ID，則數據就被處理并點(diǎn)亮相應的LED。最后，數據幀通過(guò)串行口發(fā)送出去以供外部數據接收和存儲。接收程序流程如圖5所示。

由于每個(gè)輪胎模塊要發(fā)送相同格式的數據，接收機控制器能在收到全部數據幀后中斷，這樣它可以在大部分時(shí)間都處于低
能耗睡眠狀態(tài)。它還有許多節能選項，即使汽車(chē)停很長(cháng)時(shí)間，也不會(huì )消耗完一塊電池。

4 結論
輪胎壓力和溫度的實(shí)時(shí)監測與報警系統將成為汽車(chē)安全系統必備的功能之一。本文中通過(guò)對Motorola發(fā)射芯片MC33493、接收芯片MC33594以及微控制器芯片AT89C2051等器件的應用，得出一套較為完整的TPMS的原理和設計方案。該系統在低功耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢。此外，也可用于單片機數據采集、遙測遙控、監測等系統中，如遠距離無(wú)線(xiàn)抄表、無(wú)線(xiàn)鑰匙等。