直接式胎壓監測系統的設計

美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )的調查統計表明，美國每年有26萬(wàn)起交通事故是由于汽車(chē)輪胎氣壓低或滲漏造成的，美國運輸部國家公路交通安全管理委員會(huì )（NHTSA）制定的法規中規定：2003年11月到2006年10月31日期間，美國新出廠(chǎng)的輕型汽車(chē)將逐步引入胎壓監測系統（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）?？梢?jiàn)，TPMS的研究和投產(chǎn)勢在必行。

胎壓的常用測試方法

目前，胎壓監測系統主要分為兩種類(lèi)型：一種是Wheel-Speed Based TPMS（WSB TPMS，簡(jiǎn)稱(chēng)間接式TPMS），另一種是Pressure-Sensor Based TPMS（PSB TPMS，簡(jiǎn)稱(chēng)直接式TPMS）

1 WSB TPMS

間接式氣壓監測的工作原理是:當某輪胎的氣壓降低時(shí)，該輪的滾動(dòng)半徑將變小，導致其轉速比其他車(chē)輪快。通過(guò)比較輪胎之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的。間接式輪胎報警系統實(shí)際上是依靠計算輪胎滾動(dòng)半徑來(lái)對氣壓進(jìn)行監測。

a）數據采集發(fā)送模塊

b）數據接收、控制模塊

圖1 系統結構圖

2 PSB TPMS

直接式氣壓檢測裝置是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進(jìn)行監視及顯示，當輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)報警。本系統采用直接式氣壓檢測方式。
依據上述工作原理，本系統包括5個(gè)模塊：4個(gè)用于輪胎內的監視模塊和一個(gè)用于車(chē)內的接收模塊。監視模塊又包括傳感器和發(fā)射模塊。

TPMS的硬件電路設計

1 系統整體設計

TPMS采用了無(wú)線(xiàn)雙向通信方式對汽車(chē)輪胎的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。系統的結構框圖如圖1所示。TPMS模塊通常在一節鋰電池下工作，工作時(shí)間為5～10年，因此節能是一個(gè)十分重要的課題，系統要求所選用的傳感器等芯片必須是低功耗的。

輪胎監測模塊嵌入到輪胎內部，主要用來(lái)監測輪胎內部的氣壓和溫度狀況，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)調制方式發(fā)送到主機顯示模塊，故輪胎監測模塊主要包含傳感器、微控制器、UHF發(fā)射器以及供電電池。

2 測壓、測溫傳感器的選取

根據上述要求，選用GE公司的NPXⅡ（NPX-C01780）傳感器。NPXⅡ集成了硅壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低功耗8位RISC處理器以及一個(gè)低頻喚醒輸入級，滿(mǎn)足了系統各方面的性能要求。

此外，NPXⅡ的電源管理能夠使功耗最小化，待機靜態(tài)電流極低；并利用加速度傳感器靈活改進(jìn)控制和測量流程，進(jìn)一步節省能耗。NPXⅡ還具有極佳的輪胎介質(zhì)兼容性，可監測450/700/900/1400kPa多種壓力范圍，并可定制量程。

3 TPMS發(fā)射接口電路設計

發(fā)射接口電路如圖2所示。無(wú)線(xiàn)電發(fā)送模塊MC33493可進(jìn)行OOK或FSK兩種調制，工作在300～450MHz頻段，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  0.18mW。其數據速率可達9.6Kb/s，工作電壓為1.9～3.6V,功耗低，發(fā)射時(shí)電流為11.6mA，待機狀態(tài)電流僅為0.8μA(工作溫度在125℃)。

圖2 發(fā)射接口電路

4 TPMS接收接口電路設計

接收接口電路如圖3所示，MC33594是高溫集成UHF超高頻無(wú)線(xiàn)電接收模塊。該芯片的工作頻率為300～450MHz，電壓在4.5～5.5V范圍內；接收靈敏度高達-103dBm。其最大的特點(diǎn)是帶有一串行外設接口（SPI）。通過(guò)SPI，它允許微控制器與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信。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。

圖3 監測系統接收接口電路

TPMS軟件流程

圖4給出了接收模塊的接收程序流程圖，接通電源后，接收機先后進(jìn)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己經(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。

圖4 接收模塊流程圖

結論

本系統結構設計合理緊湊，成本低廉。監視模塊可以工作在-40～125℃的溫度范圍，0～450kPa的壓力范圍。采用FSK調制傳輸方式，數據傳輸穩定可靠，靈敏度優(yōu)于-100dbm。系統具有輪胎氣壓過(guò)高預警功能、欠壓預警功能、漏氣預警功能和溫升過(guò)快預警等功能。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)測試，各項指標均符合NHTSA制定的基本要求，運行狀況良好。