摘 要： 介紹基于MPXY8020A傳感器芯片的輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用壓力/溫度傳感器芯片MPXY8020A和系統(tǒng)級射頻芯片，設(shè)計(jì)了以處理器rfPIC12f675為模塊的設(shè)計(jì)方案，給出了硬件電路及相關(guān)程序框圖。該系統(tǒng)符合NHTSA輪胎壓力監(jiān)測裝置標(biāo)準(zhǔn)，在交通安全方面有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 輪胎壓力監(jiān)控；壓力/溫度傳感器；MPXY8020A；RF發(fā)射與接收器
自汽車誕生以來的一百多年間，汽車爆胎造成的重大交通事故一直是困擾汽車界的技術(shù)難題。尤其在汽車高速行駛過程中，輪胎故障是駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的情況，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)表明，目前我國在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%～80%是由于輪胎問題引起的，其中將近50%為爆胎事故。所以防止爆胎已經(jīng)成為車輛安全防范的一個(gè)重要課題。根據(jù)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)測中心的專家分析，保持在正常的輪胎內(nèi)壓力(簡稱胎壓)和胎內(nèi)溫度(簡稱胎溫)下行駛是防止車輛爆胎的關(guān)鍵。輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)TPMS(Tire Pressure Monitoring System)可實(shí)時(shí)監(jiān)控胎內(nèi)的壓力和溫度信息，為汽車的安全行駛提供保障。TPMS分為直接式和間接式。間接式TPMS通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，達(dá)到監(jiān)視目的；直接式TPMS是利用安裝在每一個(gè)輪胎中的壓力傳感器直接測量輪胎的壓力，并顯示出來。當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會自動報(bào)警。直接式TPMS較間接式TPMS有更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。在直接式TPMS的研制方面，以無線傳輸電子測量為主。
1 輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)（TPMS）組成
TPMS由遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)視模塊RTPM(Remote Tire Pressure Monitoring)和中央監(jiān)視器組成，如圖1所示。RTPM模塊直接安裝在無內(nèi)胎輪胎鋼轂上，測量輪胎壓力和溫度，并將測量得到的信號通過高頻無線電波（RF）發(fā)射出去。一個(gè)TPMS系統(tǒng)通常有4個(gè)或5個(gè)（包括備用胎）RTPM模塊。中央監(jiān)視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，在異常時(shí)報(bào)警提醒駕駛者采取必要的措施。
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2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 RTPM模塊
RTPM模塊由壓力/溫度傳感器、微處理器和RF射頻發(fā)射電路組成，如圖2所示。微處理器進(jìn)行壓力、溫度的測量以及RF發(fā)射控制和電源管理；RF射頻發(fā)射電路將檢測到的壓力、溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)射出去。
壓力/溫度傳感器選擇MPXY8020A，該器件是Motorola公司為測量汽車胎壓和胎溫而設(shè)計(jì)的高度集成芯片。內(nèi)嵌壓力傳感器和溫度傳感器，能夠測量0～637.5 Kpa的胎壓和－40 ℃～+125 ℃范圍內(nèi)的胎溫，適用于氣體介質(zhì)和一般的胎內(nèi)環(huán)境。芯片共有8個(gè)引腳，4種工作模式：待機(jī)/復(fù)位、壓力檢測、溫度檢測和數(shù)據(jù)輸出模式。MPXY8020A沒有直接數(shù)據(jù)輸出功能，必須借助外接的MCU完成測量數(shù)據(jù)輸出的任務(wù)。在讀數(shù)據(jù)方式下，MCU初始化MPXY8020A為測量壓力、溫度工作方式之后，利用SPI串行接口，通過逐次逼近程序，將預(yù)測值串行送入MPXY8020A的內(nèi)部DAC，同時(shí)檢測MPXY8020A的OUT引腳狀態(tài)，得到逼近的8 bit的壓力/溫度值。
MCU/RF發(fā)射芯片選擇rfPIC12F675F，其以單片機(jī)PIC12F675為內(nèi)核處理器，集成UHF超高頻率ASK/FSK發(fā)射器，由PLL鎖相環(huán)、PA功率放大器等組成。處理器與射頻器件之間通過I/O引腳在外部連接。功耗低、外圍元件少、SSoP封裝小，非常適合RTPM模塊使用。采用FSK調(diào)制方式時(shí)，DATAASK引腳置為高電平。選取C3=13 pF，C4＝1000 pF。當(dāng)采用13.56 MHz晶振時(shí)，發(fā)射中心頻率約為433.92 MHz，天線采用PCB環(huán)狀天線。
MPXY8020A與rfPIC12F675F以及天線連接如圖3所示。
2.2 中央監(jiān)視器模塊
中央監(jiān)視器模塊由RF接收電路、微處理器、計(jì)算機(jī)顯示報(bào)警裝置等組成，如圖4所示。RF接收電路接收RTPM模塊發(fā)射的壓力、溫度數(shù)據(jù)信號，識別變換處理后送到計(jì)算機(jī)顯示或報(bào)警。設(shè)計(jì)中選用 Nordic VLSI公司的射頻系統(tǒng)級芯片nRF9E5完成這部分功能。nRF9E5內(nèi)置nRF905(433/868/915 MHz)收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位AD轉(zhuǎn)換器。同時(shí)其內(nèi)置電壓調(diào)整模塊能最大限度地抑制噪音，并為系統(tǒng)提供1.9 V～3.6 V的工作電壓。內(nèi)置nRF905可工作于433/868/915 MHz ISM頻段。nRF905收發(fā)器由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，輸出功率、頻道和其他射頻參數(shù)可通過對特殊功能寄存器RADIO編程進(jìn)行控制。收發(fā)器工作在ShockBurstRX方式時(shí)，當(dāng)收到一個(gè)有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時(shí)，地址匹配寄存器位(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器位（DR）通知片內(nèi)MCU讀出數(shù)據(jù)。圖5是基于nRF9E5的中央監(jiān)視器模塊電路原理圖，U2為EEPROM（25320），主要為方便調(diào)試、修改控制軟件；U3(MAX3232)是電平轉(zhuǎn)換芯片，將nRF9E5芯片的CMOS電平轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平。天線的阻抗以50 Ω設(shè)計(jì)。
3 系統(tǒng)軟件概述
TPMS系統(tǒng)的軟件主要由2個(gè)模塊組成，即RTPM子程序和接收通信子程序。RTPM子程序用于檢測、處理、發(fā)送胎壓、溫度和輪胎標(biāo)識信息，接收通信子程序完成數(shù)據(jù)接收和串行通信。
基于處理器rfPIC12f675的特點(diǎn)及RTPM模塊的功能，RTPM流程圖如圖6所示。通常，傳感器和射頻器件工作于低耗電待機(jī)休眠模式，由程序控制其工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)電管理?？撮T狗中斷服務(wù)程序充分考慮到射頻發(fā)射的電能損耗，采用了兩個(gè)判斷處理。首先檢測相對耗電較低的溫度，通過與40 ℃相比較，判斷RTPM模塊是否已經(jīng)安裝于車內(nèi)，保證了產(chǎn)品在未安裝前基本處于低功耗的待機(jī)狀態(tài)。第二個(gè)判斷同樣是基于低功耗考慮，當(dāng)前后連續(xù)數(shù)次（不超過10次）檢測的溫度和壓力值相同時(shí)，不啟動射頻發(fā)射器；反之，采樣胎溫和胎壓數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后發(fā)射。
主機(jī)PIC16F877A初始化后(包括完成其周圍的射頻模塊和顯示模塊的初始化)，按時(shí)間間隔掃描式輪流向4個(gè)輪胎模塊發(fā)送頻率為125 kHz的LF低頻信號，輪流將各輪胎模塊激活并開啟射頻接收中斷，等待接收各模塊發(fā)送回來的實(shí)時(shí)胎壓溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼分析，與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的安全壓力溫度值域比較，判斷是否進(jìn)行報(bào)警，并送數(shù)據(jù)至液晶屏顯示。設(shè)定合理的時(shí)間延時(shí)后，循環(huán)以上流程分時(shí)采集和監(jiān)視各輪胎模塊的壓力溫度情況。這樣就從根本上解決了同頻信號干擾碰撞問題，也為節(jié)電提供了有效的控制方法。充分考慮到節(jié)能和實(shí)時(shí)監(jiān)測這兩方面的因素，本系統(tǒng)設(shè)定間隔200 ms啟動一次LF喚醒操作。
為了實(shí)現(xiàn)4個(gè)輪胎模塊和中央主機(jī)接收模塊進(jìn)行無線通信,必須制定一個(gè)通信協(xié)議。這里采用曼徹斯特編碼、FSK信號調(diào)制方式和9 600 b/s的傳輸速率。輪胎模塊以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)輪胎模塊rfPIC12F675F決定要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過發(fā)送數(shù)據(jù)幀前導(dǎo)位喚醒主機(jī)接收模塊，隨后發(fā)送ID、壓力、溫度、狀態(tài)、校驗(yàn)及停止位。數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。
(1)前導(dǎo)位：前導(dǎo)位為6 bit，并且總是置成0x3F，分離噪聲。
(2)設(shè)備標(biāo)識(ID)：SP12提供傳感器的序號，有8 bit、16 bit和24 bit選擇。在該方案中選擇24 bit ID號。接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查ID，如果發(fā)現(xiàn)ID不符，就放棄收到的數(shù)據(jù)幀。
(3)壓力值：壓力數(shù)據(jù)8 bit，代表測量的輪胎壓力值。由于得到補(bǔ)償后的壓力值并不是真正壓力值，所以在中央接收機(jī)的控制器中該數(shù)據(jù)要乘以1.37得到實(shí)際的值。
(4)溫度值：溫度數(shù)據(jù)占8 bit，代表被測量的輪胎溫度值。同樣，得到補(bǔ)償后的溫度值也不是實(shí)際值，而是實(shí)際的溫度值加上50，所以相應(yīng)地，在中央主接收機(jī)的控制器中，要將接收到的溫度值減去50得到正確的溫度。
(5)狀態(tài)位：狀態(tài)位為8 bit，第7到第4位分別為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪。
(6)校驗(yàn)和：校驗(yàn)和為8 bit。它的內(nèi)容取決于傳輸數(shù)據(jù)，主要是為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。校驗(yàn)和產(chǎn)生的方法是：發(fā)送時(shí)，對所有數(shù)據(jù)求異或結(jié)果取反作為校驗(yàn)和；接收時(shí)，對所有數(shù)據(jù)連同校驗(yàn)和求異或求反，結(jié)果為0表示正確，否則表示通信錯誤，應(yīng)丟棄該數(shù)據(jù)幀。
(7)停止位：停止位為2 bit，用來指示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。
本文提出了一種低功耗的TPMS方案，硬件上高度集成的射頻系統(tǒng)級芯片，可降低系統(tǒng)功耗，工作于待機(jī)模式的傳感器芯片增強(qiáng)了系統(tǒng)的模式化管理功能，為軟件的低功耗管理提供了硬件支持。軟件上RTPM子程序采用看門狗中斷喚醒模式以及對非工作環(huán)境和連續(xù)數(shù)次檢測數(shù)據(jù)相同等情況的判斷處理，使得功耗相對較大的傳感器和射頻器件通常處于休眠狀態(tài)，僅工作于毫秒級時(shí)間內(nèi)，有效降低了系統(tǒng)功耗，同時(shí)保證了電池使用年限。