摘 要: 闡述了汽車輪胎壓力直接監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中的無線數(shù)據(jù)傳輸問題。由于Infineon公司的無線發(fā)射芯片" title="發(fā)射芯片">發(fā)射芯片TDK5110和接收芯片" title="接收芯片">接收芯片TDA5210在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_方面的一些優(yōu)良性能,設(shè)計的硬件電路選用了此兩種芯片,并給出了設(shè)計的電路圖及其實現(xiàn)流程。該設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)崟r有效地監(jiān)測輪胎內(nèi)的壓力溫度,避免了由于輪胎壓力問題而發(fā)生事故的可能。
關(guān)鍵詞: 輪胎壓力監(jiān)測 TPMS 無線傳輸
當前,針對汽車安全的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)TPMS(Tire Pressure Monitoring System)正逐步走向市場,成為汽車里面的標準配置,為保護駕車人以及行人的生命安全發(fā)揮著不可替代的作用。
在主動式的TPMS中,需要把監(jiān)測到的壓力、溫度等數(shù)據(jù)實時地傳到控制臺去。壓力監(jiān)測模塊通常是安裝在氣門嘴上或者是利用緊箍扣安裝在輪轂上,故這兩種安裝方式監(jiān)測到的數(shù)據(jù)都只有通過無線通信才能傳輸?shù)今{駛室內(nèi)的接收裝置,以便及時提醒駕駛員注意輪胎壓力的變化,避免可能發(fā)生的事故。
在TPMS實際使用過程中,不可能頻繁地拆卸輪胎來為發(fā)射模塊" title="發(fā)射模塊">發(fā)射模塊更換電池,故需要做到壓力監(jiān)測模塊與輪胎同壽命。這就對發(fā)射模塊的功耗提出了很苛刻的要求,既要求具有盡可能大的發(fā)射功率,能夠把信號及時準確地傳輸?shù)?a class="cblue" href="http://ihrv.cn/search/?q=接收端" title="接收端">接收端;又要求發(fā)射時所需要的能量盡可能的小,少消耗電池的能量,相應(yīng)地延長發(fā)射模塊的使用壽命。這樣,就要求在實際的設(shè)計中盡可能地選擇發(fā)射效率高的芯片,并且外圍接口電路越少越好,多方面地綜合降低系統(tǒng)的功耗。
由于輪胎內(nèi)惡劣的運行環(huán)境,給信號的發(fā)射和接收都帶來許多困難,這對芯片的功耗、溫度等參數(shù)要求很高。目前市場上能夠提供此類無線發(fā)射、接收芯片的廠家主要有MAXIM、ATMEL、Infineon、freescale等公司,根據(jù)實際的使用需要,綜合考慮幾類產(chǎn)品在功耗、抗干擾等方面的因素,本設(shè)計選擇Infineon公司的發(fā)射芯片TDK5110和接收芯片TDA5210,傳感器芯片選擇Infineon公司的SP12。
1 發(fā)射芯片電路設(shè)計
單片ASK/FSK發(fā)射芯片TDK5110的工作頻段為433MHz~435MHz,此為ISM(Industrial Scientific Medical Band)頻段。TDK5110內(nèi)部集成了PLL,且具有一個高效的功率放大器來驅(qū)動發(fā)射天線,芯片的工作溫度范圍為-40~125℃,電源電壓范圍為2.1~4V[2],完全滿足汽車輪胎上要求的溫度及電壓范圍。
TDK5110提供了ASK和FSK兩種數(shù)據(jù)調(diào)制方式。ASK非常容易受到噪聲干擾,F(xiàn)SK在抗干擾方面要優(yōu)于ASK,而輪胎所處的特殊運行環(huán)境,受到的干擾很多。所以本設(shè)計采用FSK的數(shù)據(jù)調(diào)制方式。TDK5110的芯片內(nèi)部主要包含發(fā)射功率放大器(PA)、晶體振蕩器(OSC)、壓控振蕩器(VCO)、相位檢波(PD)電路、分頻器、回路濾波器(LF)、FSK開關(guān)等[2]。芯片的外圍設(shè)備元器件較少,有利于系統(tǒng)成本的降低,也方便了系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與調(diào)試。
本設(shè)計中發(fā)射芯片的中心頻率為434MHz,采用13.56MHz的外接晶振,通過鎖相環(huán)32倍頻得到434MHz。發(fā)射天線的選擇既可以是單端天線,也可以是PCB印制天線,由于輪胎內(nèi)對整個發(fā)射模塊的重量有所限制,所以最好選擇PCB 印制天線。為獲得好的性能,設(shè)計電路板時,天線環(huán)包圍的面積應(yīng)盡可能大,越靠近環(huán)的邊沿,場的密度越高,所以設(shè)計的形狀近似于一個正方形[6]。
TDK5110提供三種功率模式:低功耗模式" title="低功耗模式">低功耗模式(Power Down Mode)、PLL使能模式(PLL Enable Mode)和發(fā)射模式(Transmit Mode)[2]。在低功耗模式下,整個芯片都停止工作,電流消耗的典型值在85℃時為14nA;在PLL使能模式下,PLL開始工作而功放(PA)并未啟動,PLL的啟動時間主要取決于外接的晶振大小,一般小于1毫秒,電流的消耗為4mA;在發(fā)射模式下,芯片的所有部分都開始工作,電流消耗的典型值為14mA。當然,在實際的使用過程中,芯片大部分時間處于低功耗模式,就是在汽車的行駛過程中,數(shù)據(jù)也是間歇傳出來的。所以可以通過軟件設(shè)置一些發(fā)送模式及發(fā)射數(shù)據(jù)的頻率,以期有效地降低系統(tǒng)的功耗。本設(shè)計采用FSK的數(shù)據(jù)調(diào)制方式,所以根據(jù)圖1所示的FSK調(diào)制的時序邏輯圖,整個芯片的外圍電路連接如圖2所示。其中,CLKOUT是與單片機同步的時鐘信號,F(xiàn)SKDATA是與單片機的TXD引腳相連的信號,而PDWN和ASKDATA引腳則和單片機的兩個I/O引腳相連,通過軟件可控制數(shù)據(jù)的發(fā)送模式。
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2 接收芯片電路設(shè)計
與TDK5110相對應(yīng)的接收芯片為TDA5210,TDA5210是低功耗的單片F(xiàn)SK/ASK超外差接收芯片,工作在ISM的810MHz~870MHz以及400MHz~440MHz頻段。芯片的集成度高,所需要的外設(shè)較少,有利于用戶的設(shè)計。此芯片內(nèi)有低噪聲放大器(LNA)、雙平衡混頻器(mixer)、壓控振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、晶振、限幅器(limiter)、鎖相環(huán)FSK解調(diào)器(PLL FSK demodulator)、數(shù)據(jù)濾波器(data filter)、數(shù)據(jù)限幅器(data slicer)、峰值檢波器(peak detector)等電路[3]。
本接收端選擇FSK數(shù)據(jù)調(diào)制方式,此時電流的消耗為5.9mA,接收靈敏度為-100dBm,在低功耗模式下電流消耗為50nA。
接收天線選擇鞭狀天線,其長度為λ/4(λ為其接收信號的波長),接收信號的頻率為434MHz,故天線長度大約為17.3cm,此天線接收信號很靈敏。信號通過天線接收到以后,通過一個LC濾波器進入LNA(低噪聲放大器),把一個微弱的信號放大。由于LNA本身具有噪聲,故需要通過第二個LC濾波網(wǎng)絡(luò)進行濾波,然后進入混頻器,與晶振通過鎖相環(huán)倍頻的信號進行混頻,混頻后的信號通過中頻濾波器(IF filter)進入限幅器。再經(jīng)過數(shù)字濾波器、數(shù)據(jù)限制器送入單片機作進一步的解碼處理。接收端的單片機選擇NEC公司的78F0034單片機[7]。接收芯片的外圍接口電路如圖3所示。
LNA主要是把天線接收到的微弱信號放大,理想的放大器希望只放大期望信號的幅度,而不放大任何失真信號和噪聲信號,但實際上信號在通過LNA時都不可避免的產(chǎn)生噪聲。這就需要在LNA的前后都加上濾波網(wǎng)絡(luò),若參數(shù)匹配合適,可以有效地濾除接收進來的雜波,提高信噪比。
接收端要同時接收來自四個車輪的數(shù)據(jù)信息,如何區(qū)分數(shù)據(jù)信息來自于哪個輪胎,就需要給輪胎編上序號。Infineon的傳感器芯片SP12就為每一個傳感器編了一個惟一的序號,這使得在提取每一個傳感器的相關(guān)信息時,首先讀取該傳感器的序號,據(jù)此就可以確定輪胎的位置[1]。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)啟動后,通過發(fā)射模塊內(nèi)的單片機讀取傳感器芯片所測量到的胎內(nèi)壓力、溫度、電池電壓以及加速度等,然后把這些信息和傳感器的序號通過發(fā)射模塊TDK5210發(fā)送出去。傳感器芯片與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過SPI總線協(xié)議完成[1]。
汽車啟動后,接收端上電開始工作,通過接收發(fā)射端傳輸過來的相關(guān)數(shù)據(jù)信息,實時地監(jiān)測輪胎內(nèi)的壓力變化情況。當壓力低于某一個設(shè)定的閾值時,通過警報方式提醒駕駛?cè)藛T的注意,以便采取相應(yīng)的措施。
輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸問題是整個TPMS系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,本設(shè)計在實驗室條件下已經(jīng)取得了預(yù)期的效果。由于實際的環(huán)境條件遠比實驗室復雜,所以要在實際的生產(chǎn)中使用,還需要更多次實驗以及現(xiàn)場調(diào)試,并在此基礎(chǔ)上作一些調(diào)整與改進。
參考文獻
1 SP12 Type pressure sensor.Infineon Technologies Inc 2005.http://www.infineon.com
2 TDK5110F 434 MHz ASK/FSK Transmitter in 10-pin Pack-age.Infineon Technologies Inc 2005.http://www.infineon.com
3 ASK/FSK Single Conversion Receiver TDA 5210 Version 3.0. Infineon Technologies Inc 2005.http://www.infineon.com
4 ASK/FSK Transmitter 868/433 MHz TDA 5100 Application Note.Infineon Technologies Inc 2005.http://www.infineon.com
5 ASK / FSK Single Conversion Receivers TDA 521X Version 1.1 Application Note.Infineon Technologies Inc 2005.http://www.infineon.com
6 黃智偉.射頻集成電路芯片原理與應(yīng)用電路設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社,2004
7 日本電氣(NEC)公司μPD780024,μPD780034,μPD780024Y,μPD780034Y子系列8位單片微控制器用戶手冊.北京:電子工業(yè)出版社,1999