射頻無(wú)線(xiàn)技術(shù)在TPMS中的應用設計與分析

　　目前的TPMS(tire pressure monitoring system)主要分為兩種類(lèi)型，一種是間接式的，一種就是直接式的。而直接式的TPMS系統一直因其報警準確性差、在無(wú)線(xiàn)傳輸中受到輪轂的屏蔽電磁波和磁場(chǎng)的干擾而影響其進(jìn)一步的發(fā)展。本文以Nordic公司生產(chǎn)的射頻芯片為基礎，介紹了汽車(chē)TPMS系統的無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統的電路設計與解決方案，從而對上述直接式的TPMS系統加以改進(jìn)。

　　近幾年來(lái)無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)己經(jīng)成為小型工業(yè)監控系統的主要組成部分，此類(lèi)無(wú)線(xiàn)數據傳輸和現存的有線(xiàn)數據傳輸以及其他無(wú)線(xiàn)數據傳輸相比較而言，工業(yè)監控中的無(wú)線(xiàn)數據傳輸主要使用射頻(RF)技術(shù)來(lái)發(fā)送和接收數據包。整個(gè)系統的各個(gè)部分都是服務(wù)于無(wú)線(xiàn)數據傳輸這個(gè)目的，所以在整個(gè)系統的軟件設計中，無(wú)線(xiàn)數據的傳輸部分(射頻模塊)就為最主要部分。射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡(jiǎn)稱(chēng)，每秒變化小于1000次的交流電稱(chēng)為低頻電流，大于10000次的稱(chēng)為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流，射頻技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域具有廣泛的、不可替代的作用。

　　1 TPMS系統的設計

　　本文中提到的TPMS系統是通過(guò)射頻信息的收發(fā)與相關(guān)信息的提示來(lái)完成的。在輪胎部分的主要有壓力檢測模塊與射頻發(fā)射模塊，在駕駛員部分主要有射頻接收模塊和顯示報警模塊。

　　壓力檢測模塊主要是實(shí)時(shí)的檢測所測輪胎的壓力數據，并將數據進(jìn)行相應的變化存儲到中心處理器上，等待射頻發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)射。在射頻接收模塊接收到數據后對數據進(jìn)行相應的處理并將數據在附件LCD上進(jìn)行顯示，并判斷數據的安全性，在發(fā)現輪胎的壓力超出了所能接受的范圍后通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報警提醒駕駛員。具體的工作原理圖如圖1所示。

　　2 無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的比較與選擇

　　由于無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的種類(lèi)和數量比較多，無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的選擇在設計中是至關(guān)重要的，正確的選擇可減小開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，將產(chǎn)品更快推向市場(chǎng)。選擇無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片時(shí)應考慮需要幾點(diǎn)兇素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元器件數量、芯片成本、數據傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼等。

　　用來(lái)評價(jià)無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)的幾項重要指標有：接收靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、選擇性、接收頻率穩定度、發(fā)射輸比功率、效率、發(fā)射頻率范圍、功耗等因素。下面對市場(chǎng)上的現階段比較流行的三種無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片進(jìn)行了相關(guān)的性能比較，如表1所列。

　　對照表1以及技術(shù)指標的表述，對于接收和發(fā)送數據，滿(mǎn)足頻段的范圍越大，靈敏度越高，在相同條什下的接收電流越小，發(fā)射電流越大，所需外圍器件越少等條件的收發(fā)芯片應用也就越廣泛，并且可以適合于多種情況。

　　綜合以上考慮，nRF905的優(yōu)越性就很明顯了，所以在本設計中選擇nRF905是最適用的。

　　3 nRF905的簡(jiǎn)介

　　無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF905是挪威Nordic公司推出的一款單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體的芯片。nRF905足一款工作在433/868/915頻段上的單片射頻收發(fā)器，因為所使用的是國際上的ISM 頻段，因此并沒(méi)有所謂的頻段限制。nRF905由完全集成的電源管理、頻率合成器、調制接收器、功率放大器、晶體振蕩器和調節器構成。nRF905具有ShockBurst特點(diǎn)，能夠自動(dòng)處理數據包中的前導碼和CRC校驗碼。通過(guò)SPI接口，可以很容易地對nRF905的配置操作進(jìn)行編程。nRF905的耗電量非常低。在發(fā)射模式下，以-10dBm的輸出功率進(jìn)行發(fā)射耗電最僅為11mA;同樣的功率在接收模式下耗電量為12.5mA。而其POWERDOWN掉電模式下則可以更加省電。

　　3.1 nRF905的控制模式

　　nRF905有兩種激活模式和兩種省電模式。

　　激活模式包括ShockBurst RX接收模式和ShockBurst TX發(fā)射模式。省電模式包括PowerDown andSPI-programming掉電和SPI編程模式和Standby andSPI-programming待機和SPI編程模式。

　　TRX_CE、TX_EN和PWR的設置決定了模式的控制，具體的控制如表2所列。

　　3.2 單片機與nRF905的連接

　　nRF905與外界的通信通過(guò)一個(gè)SPI接口來(lái)進(jìn)行，速率由微控制器設置的接口速度決定。在RX模式中，地址匹配(AM)和數據準備就緒(DR)信號通知MCU一個(gè)有效的地址和數據包已經(jīng)各自接收完成，微控制器即可通過(guò)SPI讀取接收的數據。在TX模式中，無(wú)線(xiàn)通信模塊自動(dòng)產(chǎn)生前導碼和CRC校驗碼，數據準備就緒信號通知MCU數據傳輸已經(jīng)完成。

　　這里采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的與8051完全兼容的AT89S52系列單片機，因為要和模塊進(jìn)行通信，而對模塊的控制郁是通過(guò)nRF905的SPI接口總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行的，因為AT89S52沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的SPI總線(xiàn)，因此在這里為了和nRF905的無(wú)線(xiàn)模塊通信則采用單片機的I/O端口進(jìn)行軟件編程模擬SPI的時(shí)序來(lái)實(shí)現SPI接口。這里把用來(lái)進(jìn)行模式控制的(TXEN、TRX_CE、PWR)管腳和SPI接口控制的(MISO、MOSI、SCK、CSN)管腳與單片機的P2端口對應相連，狀態(tài)輸出的(AM、DR、CD)管腳與單片機P3端口的2到4位相連，圖2就是單片機與nRF905模塊的簡(jiǎn)單的電路連接。

　　4 系統的軟件設計

　　4.1 SPI接口檢驗

　　因為對nRF905的控制都是通過(guò)內置的SPI總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行的，所以在進(jìn)行總的程序設計前必須確保單片機等操作系統能夠通過(guò)I/O口的模擬SPI總線(xiàn)與nRF905內部進(jìn)行通信。因此本系統設計了一個(gè)用來(lái)檢驗SPI接口的程序部分。因為nRF905模塊內部有一個(gè)配置寄存器，可以通過(guò)SPI對其進(jìn)行寫(xiě)數據和讀數據的操作，比較前后結果是否一樣還判斷SPI操作的正確性。

　　如果通過(guò)程序操作所得到的數組數據與寫(xiě)入的數據完全相同的話(huà)，那么便可以說(shuō)明進(jìn)行此操作的nRF905模塊的SPI接口一切均正常。

　　4.2 無(wú)線(xiàn)射頻通信的程序設計

　　這個(gè)系統的重點(diǎn)部分就足無(wú)線(xiàn)射通信部分，當采集得到輪胎的壓力后，是否能夠快速的把數據進(jìn)行傳輸是TPMS系統的是否能正常工作的前提和保證。

　　無(wú)線(xiàn)射頻通信分為輪胎部位的發(fā)射部分和駕駛室的接收部分。

　　當nRF905模塊進(jìn)行發(fā)送操作時(shí)，其主控單元(本系統中為單片機)通過(guò)SPI接口把接收節點(diǎn)的地址和有效數據傳送到nRF905模塊。

　　發(fā)送模式的nRF905模塊內部將完成：

　　(1) 無(wú)線(xiàn)系統自動(dòng)上電;

　　(2) 數據包完成(加前導碼和CRC校驗碼)：

　　(3) 數據包發(fā)送(100kbit/s、GFSK、曼徹斯特編碼)。

　　為了保持系統通信的可靠性，本系統對nRF905的發(fā)射部分采用無(wú)線(xiàn)數據重發(fā)的工作原理，所以這里將TRX_CE設置為一直為高電平。具體的發(fā)射流程圖如圖3所示。

　　本系統中的接收部分的主要任務(wù)就是不斷的檢測空中的與本身射頻頻率相同的射頻電磁波，當接收到電磁波后，對應的CD、AM、DR位按先后順序分別置1，進(jìn)而開(kāi)始讀寫(xiě)程序。

　　當開(kāi)始檢測空是的射頻電磁波后，經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程：

　　(1) 載波檢測CD被置高;

　　(2) 地址匹配AM被置高;

　　(3) 數據準備就緒DR被置高。

　　DR的置高就意味著(zhù)數據己經(jīng)接收到并且保存到了nRF905模塊的內部寄存器中，下面要做的工作就是在SPI接口操作模式下對nRF905模塊進(jìn)行一定速率的讀數據，再將所有的數據都讀寫(xiě)完畢后復位AM、DR位為零，以保證下次接收數據的正常進(jìn)行，具體的接收流程圖如圖4所示。

　　5 實(shí)驗與仿真

　　這里的nRF905與單片機的通信是通過(guò)SPI接口采用按位通信的方式來(lái)進(jìn)行的，因此在接收的時(shí)候對SPI的對應管腳進(jìn)行相應的波形測試應該呈現的是方波，通過(guò)電腦來(lái)模擬輪胎的壓力傳感器的傳輸數據，來(lái)觀(guān)察波形為圖5所示。

　　從圖中可以看出，系統在進(jìn)行通信的過(guò)程中完全正確，并且電磁波的強度很強，完全可以達到通信的目的。

　　在本系統設計中，采用了射頻無(wú)線(xiàn)通信方式建立TPMS系統，實(shí)現了對汽車(chē)輪胎的壓力與溫度的實(shí)時(shí)檢測。本系統采用了目前廣泛流行的射頻通信技術(shù)，并在此環(huán)境下進(jìn)行可靠的數據傳輸，適應了今后短距離的通信發(fā)展趨勢。系統整體可靠性高，穩定性好，成本低，利于移植，方便添加其他功能。如果能夠得到真正的應用，那么市場(chǎng)前景將會(huì )很好。