基于SP12的TPMS輪胎壓力監測系統設計

伴隨著(zhù)城市交通技術(shù)的不斷發(fā)展,人們在享受高速公路高效便捷方式的同時(shí),隨之引發(fā)的交通事故率也在提高,其中由于輪胎的氣壓引起的比例高達80％,這種現象使得人們要對行駛中的輪胎氣壓進(jìn)行監測。一些發(fā)達國家陸續推出了相關(guān)法案(美國的TREAD法規),要求新車(chē)裝配中必須裝配能夠對行駛中的輪胎氣壓實(shí)時(shí)監測的安全電子裝置。因此,在未來(lái)汽車(chē)上加裝輪胎壓力監測系統(TPMS),也必將和ABS、安全氣囊一樣,是必然的發(fā)展趨勢。輪胎壓力監測系統全天候對輪胎里的壓力進(jìn)行監測,對輪胎的漏氣和低壓、高壓進(jìn)行報警,使車(chē)輛始終處于安全運行狀態(tài)。

1 系統設計

TPMS系統由輪胎壓力傳感器和接收機組成。輪胎壓力傳感器選用MicrochiP公司的PICl6F628A低功耗8位MCU,壓力傳感器選用英飛凌的SPl2,射頻IC選用N0rdic公司的nRF40l。

裝在輪胎里的壓力傳感器將輪胎里的壓力、溫度信息傳送給駕駛室里的接收機,讓司機隨時(shí)了解輪胎中的氣壓情況,如圖l所示。

1.1 射頻電路

在圖2所示的射頻信號電路中,采用挪威Nordic,公司的nRF40l器件,該器件是433 MHz ISM頻段的單片UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)IC。它采用FSK的調制解調技術(shù),其最高工作速率可達20 kb,發(fā)射功率可調,最大達lO dBm?；炯夹g(shù)指標如下：

中心載頻點(diǎn)為433.92／434.23 MHz;

最大發(fā)射功率為10 dBm

工作電壓為2.7~5.25V;

接收時(shí)消耗電流為250μA,發(fā)射時(shí)最大為28 mA,待機電流為8／μA。

NRF401的ANTl和ANT2是天線(xiàn)的輸入／輸出復用腳。在輸入模式時(shí),射頻信號通過(guò)將該腳連接到低噪音放大器后解調;同樣,在輸出模式時(shí),調制的信號在功率放大后,通過(guò)該腳輸出。

4腳為nRF401的PLL鎖相環(huán)濾波器輸入,該腳正常工作時(shí)的電壓是l.lV0.2V。

5腳和6腳為壓電晶振控制的外圍電路,此兩腳間接一個(gè)Q>45@433 MHz值的22μH電感。

7腳和8腳分別為數據輸入腳和輸出腳。配合18腳PWR_UP和19腳TXEN上的電位時(shí)序完成信息的發(fā)送和接收。圖3是進(jìn)行數據發(fā)射和接收時(shí)控制各引腳操作時(shí)序圖。

11腳外接射頻功率控制電阻。如圖2中的R3,該值在22~100kΩ之間。一般在30kΩ左右達到7 dBm。

1.2 螺旋天線(xiàn)的結構

由于天線(xiàn)有不同類(lèi)型,應根據具體應用要求來(lái)選擇。本應用中,天線(xiàn)位于汽車(chē)輪轂內。緊靠氣門(mén)嘴。在高速行駛中,天線(xiàn)不斷變換方向。為了盡可能擴大接收的角度,選用螺旋天線(xiàn)。

螺旋天線(xiàn)的圈數(N)、直徑(D)和圈距(S)決定了天線(xiàn)的增益和方向性。

天線(xiàn)的總長(cháng)為L(cháng)N=NLO=Nsqit(S2+C2)這里C=xD是螺旋的園周,Lo=sqrt（S2+C2）是一圈導線(xiàn)的長(cháng)度。

另一個(gè)重要參數是螺旋角α,它是螺旋線(xiàn)切線(xiàn)和螺旋軸垂直平面的夾角。螺旋角的定義為α=tan-1(S／C)螺旋天線(xiàn)有以下2種工作模式。

①常態(tài)模式。在常態(tài)工作模式,天線(xiàn)輻射場(chǎng)在相對于螺旋軸的法線(xiàn)平面有極大值。對于該模式：NLo〈〈λ。

②軸向(端射)模式。這種工作模式只有一個(gè)主瓣,它的最大輻射強度沿著(zhù)螺旋軸,副k與軸間有一個(gè)傾斜角度。為激勵這種模式,其直徑D和空間3必須是波長(cháng)的一個(gè)大分數。

1.3 傳感器電路

SPl2是英飛凌公司的輪胎壓力傳感器IC,如圖4所示,通過(guò)MEMS技術(shù)集成了壓力和溫度、加速度、電壓的檢測電路,直接以數字形式輸出各物理量的示值,與外圍采用SPI協(xié)議進(jìn)行交互。

同時(shí)內部有兩個(gè)時(shí)鐘信號,WAKEUP和RESET。WAKEUP每6s輸出一個(gè)脈沖信號,RESET每隔約54min輸出一個(gè)脈沖信號,低電子有效。

1.4 系統功耗

由于要求TPMS系統整體靜態(tài)電流小于20μA,所以保證選用的器件必須是低功耗或超低功耗的芯片。PICl6F628A的靜態(tài)電流為0.lμA,傳感器SPl2的靜態(tài)電流為O.6μA,射頻NRF401的待機電流為8μA。

經(jīng)過(guò)實(shí)測,靜態(tài)功耗Ist=Ist_mcu+Ist_sensor+ist_rf+Ist_cap=15μA。Ist_cap為鉭電容的泄露電流。動(dòng)態(tài)功耗在射頻處于連續發(fā)射的情況下,經(jīng)實(shí)測為25mA(最大值。

2 軟件設計

2.1 軟件總體設計

軟件總體分為4個(gè)運行模式：調試模式(工廠(chǎng)診斷用)、初始化模式、睡眠模式(休眠)和測量模式。

(1)調試模式

主要執行產(chǎn)品出廠(chǎng)的一些內部測試和診斷功能。體包括傳感器測試和射頻測試兩部分。

(2)初始化模式

接收主機給定的ID碼和級別判定閥值。

（3）睡眠模式

以最低的功耗運行,響應系統的運行要求。

（4）測量模式

測量模式主要完成以下功能：

①定時(shí)測量輪胎壓力、溫度;

②壓力在不同級別區域內有報警時(shí),同一個(gè)級別只上報一次;

③壓力無(wú)變化,固定間隔時(shí)間段上報一次壓力、溫度;

④保證系統可靠性．系統每隔約l小時(shí)復位一次。

⑤不同級別報警同時(shí)出現,則以高溫、高壓、低壓級別的優(yōu)先級報警。

它們的相互轉換關(guān)系如圖5所示。

系統上電復位的工作流程圖如圖6所示。

2.2 傳感器數據的處理

SP12是壓力傳感的IC,內部直接處理得到的數字量,只需通過(guò)SPI物理接口,向它發(fā)送對應的命令字和指令,就可以得到當前輪胎的壓力、溫度、加速度等值。由于PICl6F628A無(wú)SPI模塊,這里可通過(guò)軟件來(lái)模擬SPI驅動(dòng)。達到與SP12通信的目的。

2.3 射頻數據的處理

為了保證在惡劣的環(huán)境下收發(fā)數據的可靠性,以及根據本應用信息量小,數據簡(jiǎn)單的特點(diǎn),采用信息冗余的方法來(lái)保證數據可靠地接收,即連續發(fā)送相同內容的信息。

數據的發(fā)送處理采用MCU內部的USART模塊。

數據幀格式為前導符+同步字符+ID碼+壓力+溫度+報警位+校驗碼。

數據的接收處理,nRF40l在接收模式下,DOUT腳有連續的隨機信號輸入,如何高效地在字節流中篩選出發(fā)送的信息呢?這里,因為發(fā)送格式是固定的,故采用在中斷處理過(guò)程中用有限狀態(tài)機的方式來(lái)處理。

結 語(yǔ)

該TPMS系統具有體積小,成本低,雙向金時(shí)的特點(diǎn),得到廣泛的應用。對于擁有幾千萬(wàn)輛汽車(chē)的國內,將具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。這將掀起新一輪汽車(chē)壓力傳感器應用的高潮。