汽車(chē)輪胎壓力檢測系統技術(shù)和應用芯片

汽車(chē)輪胎壓力檢測系統技術(shù)和應用芯片

當今世界已有不少?lài)腋咚俟钒踩珔f(xié)會(huì )立法強制實(shí)施，輪胎壓力監測系統TPMS(Trie pressuremonitoring system)，對于提高汽車(chē)安全性帶有舉足輕重的影響，而其低功耗、惡劣環(huán)境下長(cháng)期運行的可靠性、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的重點(diǎn)要求，因此其方案的設計和芯片選擇也圍繞這些要求進(jìn)行。

目前TPMS主要有三種實(shí)現方式，即直接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。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)送到中央微處理器進(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，直包括從機任務(wù)，接TPMS可以連接至顯示器。告訴司機哪個(gè)輪胎充氣不足，并可檢測到較小的氣壓降。為滿(mǎn)足多輪胎壓力檢測要求，由于系統安裝了直接氣壓傳感器，則混合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。

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315／433／868／91．5MHz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)節點(diǎn)發(fā)出的喚醒命令時(shí)．該生適當的發(fā)射頻率?，F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。

本文以基于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的新型芯片作介紹。

一、 基于LIN總線(xiàn)分布式的實(shí)時(shí)輪胎壓力監測系統設計方案

為實(shí)現長(cháng)期(≥10年)便用壽命這一目標，必須使用低功耗集成化部件，且其電源成為首要的挑戰(在有限的能源下能有較長(cháng)的使用壽命)。這些都可以通過(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。

用MCU、RF和傳感器實(shí)現直接式TPMS系統，其基于LIN總線(xiàn)的TPMS方案示意圖見(jiàn)圖1。

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。

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

(1)LIN總線(xiàn)的主要特征。針對汽車(chē)應用的LIN1.0(本地互連網(wǎng)絡(luò ))和LIN2.0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總線(xiàn)是一種基于通用SCI(UART)字節接口的單線(xiàn)串行通訊協(xié)議。圖2(a)為UN總線(xiàn)API到物理層的結構框圖。而LIN總線(xiàn)的主要特征為：一個(gè)主節的點(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)LIN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)LIN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)也從機節點(diǎn)卻只包括從機任務(wù)。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．基于LIN總線(xiàn)分布式的實(shí)時(shí)輪胎壓力監測系統設計

圖l描述了基于LIN總線(xiàn)的TPMS總體結構。其中，中央控制器的功能主要有三：即，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、顯示以及聲光報瞽。當LIN從節點(diǎn)接收到LIN主節點(diǎn)會(huì )向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號，讓其進(jìn)大工作狀態(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)。

(1)輪胎內壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊與芯片選擇 1)模塊選擇：

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(250km／h)輪胎轉動(dòng)時(shí)的離心力；傳感器能保持長(cháng)期的穩定；IC體積小，重量輕；帶有壓力與溫度和電壓檢測。

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。

2)芯片選擇及特征

圖3左虛線(xiàn)框內為輪胎內的壓力傳感器IC和發(fā)送IC。它們是freeseale公司的Mpxy8020A6(或Mpxy8040A)芯片和MC68HC90RF2芯片。Mpxy8020A6它內含壓力傳感器、溫度傳感器、電源控制和電池電壓檢測，喚醒功能的定時(shí)器(屬表面微機械CMOS加工工藝，SSOP封裝)；而UHF發(fā)送器+MCU(Flash)的MC68HC90RF2內含為2kB用戶(hù)FLashROM、定時(shí)器、集成的射頻(Rn發(fā)送器、低壓檢測和RAM及內部時(shí)鐘發(fā)生器。整個(gè)圖3左虛線(xiàn)框為Mpxy8020A6A與MC68HC90RF2合成的遙測模塊示意圖。圖3右側MC33591為UHF接收器，它內含鎖相環(huán)(PLL)超高頻開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)接收器；MC912DP256接收端控制器內含256kB Flash、12kB RAM、4kB EEP ROM、up to 5CAN、1xJ1850、256MHz工作頻率。

當然輪胎內的傳感器IC也可以選擇Melexis公司的MLx90603芯片。MLx90603最大的特點(diǎn)是有不同的工作模式Shelfmode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和適合RFID、RF應用的TDMArrag Direct Mem．ory Access)mode。這些都為降低發(fā)射端功耗、延長(cháng)電池使用壽命提供了最大的可能性。在發(fā)射IC方面。Melexis公司有不同頻率和調制的lC和汽車(chē)級IC(1作溫度-40℃～125℃)，如315MHz、433MHz、868MHz和915MHz等ISM band頻段：IC FSK、ASK和FM等不同調制IC，可在1.85V～5.5V寬電壓范圍內工作，并且發(fā)射功率可在－12dBm～+10dBm范圍內調節。

(2)接收模塊與芯片選擇

對于接收模塊處于LIN網(wǎng)絡(luò )的主節點(diǎn)即中央控制器，見(jiàn)圖1所示。也可選擇MLX82001，該芯片專(zhuān)門(mén)為UN總線(xiàn)應用設計的MCU。