TPMS方案設計及芯片選擇

1、前言

輪胎壓力監測系統(TPMS -Tire pressure monitoring system)對于提高汽車(chē)安全性有舉足輕重的影響，當今世界己有不少?lài)腋咚俟钒踩珔f(xié)會(huì )因此立法強制實(shí)施TPMS。而低功耗、在惡劣環(huán)境下高度運行的 可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限，以及更長(cháng)的工作壽命等是TPMS的主要要求，于是方案的設計和芯片的選擇也圍繞這個(gè)要求進(jìn)行。

1.1目前TPMS主要有三種實(shí)現方式

直 接TPMS系統、間接TPMS系統和正在推出的混合TPMS。但是，間接TPMS有一定的局限性，采用間接方法進(jìn)行檢測在很大程度上依賴(lài)于輪胎和負載因 子。直接TPMS采用固定在每個(gè)車(chē)輪中的壓力傳感器直接測量每個(gè)輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會(huì )通過(guò)發(fā)送器將胎壓數據發(fā)送到中央接收器進(jìn)行分析，分析結果 將被傳送至安裝在車(chē)內的顯示器上。顯示器的類(lèi)型和當今大多數車(chē)輛上裝配的簡(jiǎn)單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個(gè)輪胎的實(shí)際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣 壓。因此，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機哪個(gè)輪胎充氣不足。直接TPMS也可檢測到較小的壓降。有些系統甚至可以檢測到 7kPa--1.0psi的壓降。為滿(mǎn)足多輪壓力檢測要求，由于系統安裝了直接氣壓傳感器，混合TPMS能夠克服常規直接TPMS的局限性，它們能夠檢測 到在同一個(gè)車(chē)軸或車(chē)輛同一側的兩個(gè)處于低壓狀態(tài)的輪胎，當所有4個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統也可以檢測到故障。

1.2下一代新型系統，就是將集成車(chē)輪模塊所需的感應功能和發(fā)射功能。

這 就意味著(zhù)，MCU、傳感器和射頻發(fā)射器都被封裝在一起。與現有的產(chǎn)品相比較它集成了氣壓傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、搭載片上閃存的8051微處理 器、低頻接收器接口以及315/433/868/915MHz射頻發(fā)射器。除減少組件數量外，它還可以降低系統總體成本，因為板卡設計更加簡(jiǎn)單，尺寸更 小。而另外一項重要的設計挑戰來(lái)自于無(wú)線(xiàn)控制，第一代TPMS發(fā)送器的設計采用SAW共振器的ASK調制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生適當的發(fā)射頻率。該 ASK系統雖然非常廉價(jià)，但卻容易受到由于車(chē)輪(發(fā)送器安裝在其上)旋轉所導致的接收場(chǎng)強變化的影響。出于這一原因，現在的TPMS都采用基于晶體振蕩器 的FSK調制方法和PLL合成器來(lái)產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。

值此本文將以基于LIN總線(xiàn)分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監測系統的方案為例作分析，并對用于TPMS新型芯片作介紹。

2、基于LIN總線(xiàn)分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監測系統的設計方案

為 實(shí)現長(cháng)期(≥10年)使用壽命這一目標，必須使用低功耗集成化部件。電源管理因此成為首要的挑戰。也就是說(shuō)TPMS面臨的主要問(wèn)題是在有限的能源下能有較 長(cháng)的使用壽命?？梢酝ㄟ^(guò)采用低功耗的壓力傳感器、分析測量所得數據并結合車(chē)輛實(shí)際情況(熄火或運行)來(lái)改變監控系統的工作方式及高效的數據采集控制算法等 方法來(lái)降低整個(gè)系統的功耗。

由于將研討LIN總線(xiàn)應用于TPMS，并用MCU、RF和傳感器實(shí)現TPMS見(jiàn)圖1直接式基于LIN總線(xiàn)的 TPMS方案示意圖。而實(shí)用 TPMS示意的輪胎氣壓監測系統，是由與輪胎閥一體的4個(gè)訊號發(fā)射器、收訊天線(xiàn)、收訊器及訊號顯示儀四類(lèi)部件組成的。為此有必要先對汽車(chē)應用的LIN總線(xiàn) 有關(guān)技術(shù)作介紹。

2.1關(guān)于汽車(chē)應用的LIN總線(xiàn)技術(shù)

2.11LIN總線(xiàn)LIN總線(xiàn)的主要特征為API到物理層的結構

針 對汽車(chē)應用的LIN 1.0(本地互連網(wǎng)絡(luò ))和LIN 2.0總線(xiàn)系統，它的目標是低成本應用，除了TPMS外還有電動(dòng)門(mén)、電動(dòng)窗、側鏡、雨刮器、座椅安全帶報警、外部照明等。LIN總線(xiàn)的傳輸速度最大為 20kbps，而且它在單通道總線(xiàn)環(huán)路中最多能支持16個(gè)節點(diǎn)，總線(xiàn)電纜的長(cháng)度最多可以擴展到40米。LIN足一種基于通用SCI(UART)字節接口的 單線(xiàn)串行通訊為協(xié)議。圖2(a)框圖所示為L(cháng)IN總線(xiàn)API到物理層的結構。而LIN總線(xiàn)的主要特征為：—個(gè)主節點(diǎn)、多個(gè)從節點(diǎn)的概念，無(wú)需總線(xiàn)仲裁;低 成本：基于普通UART/SCI接口硬件;自同步，在從節點(diǎn)中不用晶體振蕩器或陶瓷振蕩器時(shí)鐘;保證信號傳輸的延遲時(shí)間;低成本單線(xiàn)實(shí)現連接;速度高達 20kbps;基于應用交互作用的信號;LIN總線(xiàn)的驅動(dòng)/接收器規范遵從IS09141標準。

2.12LIN拓撲結構

LIN 采用單主機多從機模式，一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )包括一個(gè)主機節點(diǎn)和若干個(gè)從機節點(diǎn)。(由于過(guò)多節點(diǎn)將導致網(wǎng)絡(luò )阻抗過(guò)低，一個(gè)L1N網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)總數不宜超過(guò)16。) 主機節點(diǎn)既包括主機任務(wù)也包括從機任務(wù)，從機節點(diǎn)都只包括從機任務(wù)，如圖2(b)為L(cháng)IN拓撲結構示意圖。主機節點(diǎn)也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和其他總線(xiàn)如CAN連 接。

2.2 于LIN總線(xiàn)分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監測系統的系統設計

圖1描述了基于L1N總線(xiàn)的TPMS總體結 構，其中中央控制器的功能主要有三：通過(guò)LIN總線(xiàn)通知LIN從節點(diǎn)喚醒相應輪胎內的發(fā)送模塊;通過(guò)LIN總線(xiàn)返回LIN從節點(diǎn)接收到的輪胎壓力等數據; 分析、顯示已及聲光報警。當LIN從節點(diǎn)接收到LIN 主節點(diǎn)發(fā)出的喚醒命令時(shí)，該節點(diǎn)會(huì )向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號，讓其進(jìn)入工作狀態(tài)。LIN主節點(diǎn)Master向LIN從節點(diǎn)發(fā)送獲取命令幀，LIN從節點(diǎn) 把數據通過(guò)LIN總線(xiàn)反饋給LIN主節點(diǎn)(主控)。

2.21輪胎內壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊與芯片選擇

*輪胎內的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊

由 于輪胎內的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊都放在輪胎內，所以對IC的要求特別高，一般有如下要求：工作溫度-40℃—125℃，短時(shí)間內達150℃; 低功耗來(lái)保持電池壽命;能承受2000G(250kmh輪胎轉動(dòng)時(shí)的離心力;傳感器能保持長(cháng)期的穩定;IC體積少，重量輕;帶有壓力與溫度和電壓檢測。圖 3左虛線(xiàn)框是基于輪胎內的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊示意結構圖。其中壓力傳感器IC是一款集成了壓力、溫度、電壓檢測傳感器、LF、MCU的 IC。而發(fā)送IC是RF發(fā)射芯片系列。

*壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊芯片選擇及特征

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