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基于SP12傳感芯片的輪胎壓力實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

2008-07-07
作者:陳 勇1, 李伯全2, 李 淵1

??? 摘? 要: 介紹了直接式TPMS(Tire Pressure Monitoring System)的基本結構和工作原理,設計了基于SP12、TDK5110和TDA5220的TPMS系統(tǒng),實現(xiàn)了對輪胎狀況的實時監(jiān)控,有效地降低了發(fā)射系統(tǒng)" title="發(fā)射系統(tǒng)">發(fā)射系統(tǒng)功耗,提高了系統(tǒng)的可靠性。

??? 關鍵詞: TPMS? SP12? 低功耗" title="低功耗">低功耗? 實時監(jiān)測

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??? 每年由爆胎引起的交通事故在所有的交通事故中占有很大的比重。隨著人們對生命安全重視程度的提高,監(jiān)測汽車輪胎壓力就成為汽車安全的一個重要課題。輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)TPMS(Tire Pressure Monitoring System)主要用于對汽車輪胎壓力的監(jiān)視,對氣壓過高或者過低進行報警,從而保障行車安全。TPMS系統(tǒng)按工作原理又可以分成兩類:直接式系統(tǒng)和間接式系統(tǒng)。后者通常是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別,或者通過輪胎周長變化來發(fā)現(xiàn)輪胎氣壓的變化,以達到監(jiān)視胎壓的目的。間接式系統(tǒng)由于借用了ABS系統(tǒng),只需要加上電腦監(jiān)控設備就可以進行檢測,因而成本較低。但是,該類型系統(tǒng)的主要缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100km/h的情況進行判斷,不利于掌握輪胎的準確情況[1]。本文介紹的是直接式系統(tǒng):在每個輪胎都裝上傳感器,在駕駛臺面板上顯示當前輪胎壓力、溫度等數(shù)據(jù),測量精度高。由于TPMS發(fā)射模塊" title="發(fā)射模塊">發(fā)射模塊安裝在輪胎內,必須采用電池供電,因此降低發(fā)射系統(tǒng)的功耗成為本研究中的一個關鍵技術。本文通過合理的器件選擇和軟、硬件方案,實現(xiàn)了低功耗、高可靠性的設計。
1 TPMS的系統(tǒng)結構和工作原理
??? TPMS系統(tǒng)由兩個部分組成,一部分是安裝在輪轂上的監(jiān)測發(fā)射模塊,由傳感器、MCU、RF發(fā)射芯片、電池和天線組成;另一部分是安裝在駕駛室內的中央控制模塊,由接收天線、RF接收芯片、MCU和人機界面構成。其系統(tǒng)結構如圖1所示。MCU通過SPI總線獲取傳感器檢測到的壓力、溫度等數(shù)據(jù),用異步串行方式送至RF芯片,同時輸出一個ENABLE信號啟動RF芯片,將數(shù)據(jù)發(fā)射給接收模塊" title="接收模塊">接收模塊。接收模塊顯示測量數(shù)據(jù),并判斷數(shù)據(jù)是否超出閾值,以決定是否發(fā)出報警信號。

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2 TPMS系統(tǒng)硬件設計
2.1 TPMS傳感器

??? 本設計采用英飛凌公司生產的SP12[2]芯片,它具有氣壓測量、溫度測量、加速度測量功能和電源電壓檢測功能,能夠自動補償測量數(shù)據(jù);采用SPI總線輸出;內置時鐘電路,能周期性輸出定時喚醒信號和復位信號。這些功能不僅能實現(xiàn)對輪胎壓力和溫度的檢測,還可以實現(xiàn)汽車啟動時開機,定時喚醒,電池欠壓報警等功能,達到省電并且保障安全的目的[3]。
2.2 發(fā)射模塊設計
??? 發(fā)射模塊由SP12、PIC16F630和TDK5110組成,如圖2所示。PIC16F630是由Microchip公司生產的汽車級" title="汽車級">汽車級的MCU,工作溫度-40℃~+125℃;采用TSSOP封裝,體積??;寬電源電壓范圍(2V~5.5V),使用靈活。TDK5110是Infineon公司生產的汽車級的UHF發(fā)射芯片,有ASK和FSK兩種工作模式;完全集成PLL頻率合成電路,頻率穩(wěn)定性好;采用TSSOP封裝,體積??;功耗極小:低功耗模式下,電源電壓3V,溫度25℃時消耗電流僅約0.3nA。

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??? 為了降低發(fā)射模塊功耗,MCU采用定時喚醒的工作方式,定時信號由SP12提供。MCU采取內置RC振蕩模式,以降低功耗和電磁干擾,同時因為RC振蕩模式的起振時間短,有利于降低系統(tǒng)功耗。鑒于RC振蕩的精度不高,頻率不夠穩(wěn)定,對MCU與RF芯片的通訊同步有較大影響,而TDK5110有一個穩(wěn)定的時鐘輸出,頻率為847.5kHz,可以用該時鐘信號提供準確的發(fā)送波特率??紤]到FSK方式的抗干擾能力更強,RF發(fā)射方式選擇FSK方式。TDK5110內置FSK開關,由7腳FSKDTA控制(FSKDTA為高電平時,開關斷開,輸出高頻移;FSKDTA為低電平時,開關閉合,輸出低頻移),從而實現(xiàn)FSK調制方式。設計中選擇電池的依據(jù)是體積小,容量大,輸出電壓穩(wěn)定。鋰亞電池的比容量是所有電池中最高的,而且90%以上的電量可以在穩(wěn)定的工作電壓上輸出,適應溫度范圍很寬,自放電極小,保質期可長達10年,因而非常適合TPMS的工作需要。
2.3 接收模塊設計
??? 接收模塊由RF接收器TDA5220、MCU PIC16F877A[4]以及人機界面和報警電路組成,如圖3所示。

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????PIC16F877A是一款功能強大的8位單片機,具有汽車級溫度范圍,片內集成了256B的E2PROM,8KB的Flash ROM,368B的RAM;內置看門狗電路;14個中斷源;除了通用串口還提供SPI和I2C總線接口;驅動能力強;端口資源豐富。PIC16F877A不僅能完成TPMS的功能,而且也有足夠的能力勝任將來對系統(tǒng)可能的升級。TDA5220是Infineon公司生產的汽車級UHF接收芯片,完全集成PLL頻率合成電路;工作頻率有400MHz~440MHz、810MHz~870MHz兩種范圍;可工作于ASK和FSK方式;接收靈敏度較高,ASK方式小于-107dBm,F(xiàn)SK方式小于-100dBm。
??? RF芯片與單片機采用異步串行方式通訊。TDA5220將接收到的數(shù)據(jù)送到PIC16F877A的同步/異步串行輸入端,單片機將數(shù)據(jù)送到LCD和報警控制電路。在更換輪胎時,通過鍵盤可以打開接收模塊的換胎模式,刪除壞胎的ID,接收新胎的ID,實現(xiàn)對新輪胎ID和位置的識別。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1發(fā)射模塊工作流程
??? SP12的WAKE UP引腳輸出定時信號,周期為6s,送至MCU的外部中斷輸入端,將MCU從睡眠狀態(tài)喚醒。MCU首先檢測加速度。考慮到汽車在行駛中很難保持加速度不變,而校正后的加速度數(shù)據(jù)不一定很準確,因而采用這樣的方法判斷汽車是否在運動:若前后兩次檢測到的加速度值相等,則認為汽車處于停止狀態(tài),MCU轉入睡眠狀態(tài)。否則,MCU將檢測數(shù)據(jù)用異步串行方式送RF發(fā)射芯片。若數(shù)據(jù)正常,則每十次測量發(fā)送一次數(shù)據(jù)以節(jié)省電能;若數(shù)據(jù)超出正常范圍,則立即發(fā)送且發(fā)送多次,以提高發(fā)送的可靠性。發(fā)射程序流程如圖4所示。

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3.2 接收模塊工作流程
??? MCU將TDA5220傳來的數(shù)據(jù)做CRC校驗,然后判斷是哪個輪胎發(fā)來的數(shù)據(jù),若不是來自本車則丟棄數(shù)據(jù)。若溫度、壓力和電池電壓數(shù)據(jù)超出正常值范圍,蜂鳴器發(fā)出報警聲,LCD閃爍,直至險情排除。接收程序流程如圖5所示。

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3.3 換胎模式
??? 換上新胎后,通過按鍵中斷開啟換胎模式:刪除存儲器中壞胎的ID,確認并記錄新胎的ID號和安裝的位置。由于系統(tǒng)接收到的信號不一定來自本車,因此需要對所有接收到的信號進行篩選。將MCU在一段時間內接收到的ID存入臨時存儲區(qū),與存儲器中本車輪胎的ID逐個比較,判斷接收到的ID是不是來自本車。如果不是,則將臨時存儲區(qū)中出現(xiàn)次數(shù)最多的ID作為新輪胎的ID,把本車始終未收到信號的輪胎判為壞胎,刪除其ID,保留位置信息,存入Flash ROM。通過LCD和蜂鳴器發(fā)出信號,提示ID更換完成。換胎模式軟件流程如圖6所示。

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??? 鑒于發(fā)射系統(tǒng)無法更換電池,降低發(fā)射系統(tǒng)功耗就顯得至關重要。本方案通過加速度喚醒技術、減少不必要的信號發(fā)射次數(shù)、選擇合理的單片機振蕩方式降低了發(fā)射系統(tǒng)的功耗;通過對發(fā)射數(shù)據(jù)的編碼和校驗提高了收發(fā)過程的抗干擾性能;通過異常數(shù)據(jù)多次發(fā)送提高了系統(tǒng)的安全性。經試驗測量,該系統(tǒng)對氣壓的檢測誤差不超過±4psi,對溫度的檢測誤差不超過±2℃,有效通信距離大于10m,能夠滿足轎車和其他中小型車輛的需求。TPMS是行車安全的重要保障,隨著人們對生命安全重視的深入,TPMS開始成為汽車的標準配置,歐美已經通過立法,強制新車出廠前安裝TPMS系統(tǒng),市場前景廣闊。本設計方案,較好地解決了系統(tǒng)低功耗、高可靠性的問題,符合美國國家公路交通安全管理局制定的基本標準[5],具有產品化的前景。
參考文獻
[1] ?彭鍇,丁國清.輪胎智能檢測系統(tǒng)的研究[J].微計算機信息,2005,21(4):82-83.
[2]? Infineon Corp.SP12 tire pressure sensor, specification[EB/OL].http://www.infineon.com
[3] ?顏重光. TPMS的設計方案思考[J].電子質量,2005,(7):6-9.
[4] ?李學海.PIC單片機實用教程[M].北京.北京航空航天大學出版社,2002.
[5] ?National Highway Traffic Safety Administration.Tire pressure monitoring final rule[DB/OL].www.nhtsa.dot.gov

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