汽车轮胎压力检测系统技术和应用芯片_技术

汽车轮胎压力检测系统技术和应用芯片

当今世界已有不少国家高速公路安全协会立法强制实施，轮胎压力监测系统TPMS(Trie pressuremonitoring system)，对于提高汽车安全性带有举足轻重的影响，而其低功耗、恶劣环境下长期运行的可靠性、较小的压力传感器误差容限以及更长的工作寿命等是TPMS的重点要求，因此其方案的设计和芯片选择也围绕这些要求进行。

目前TPMS主要有三种实现方式，即直接TPMS系统、间接TPMS系统和正在推出的混合TPMS。但是，间接TPMS有一定的局限性。直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后，这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央微处理器进行分析，分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同，它可以显示每个轮胎的实际气压，甚至还包括备用轮胎的气压。因此，直包括从机任务，接TPMS可以连接至显示器。告诉司机哪个轮胎充气不足，并可检测到较小的气压降。为满足多轮胎压力检测要求，由于系统安装了直接气压传感器，则混合TPMS能够克服常规直接TPMS的局限性，它们能够检测到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎．当所有4个轮胎都处于低压状态时，系统也可以检测到故障。

这就意味着，MCU、传感器和射频发射器都被封装在一起。与现有的产品相比较它集成了气压传感器、加速度传感器、温度传感器、搭载片上闪存的8051微处理器、低频接收器接口以及315／433／868／91．5MHz射频发射器。除减少组件数量外，它还可以降低系统总体成本，因为板卡设计更加简单，尺寸更小。而另外一项重要的设计挑战来自于无线控制，第一代TPMS发送器的设计采用SAW共振器的ASK调制技术来产节点发出的唤醒命令时．该生适当的发射频率。现在的TPMS都采用基于晶体振荡器的FSK调制方法和PLL合成器来产生中心频率和频率牵引。

本文以基于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的方案为例作分析，并对用于TPMS的新型芯片作介绍。

一、基于LIN总线分布式的实时轮胎压力监测系统设计方案

为实现长期(≥10年)便用寿命这一目标，必须使用低功耗集成化部件，且其电源成为首要的挑战(在有限的能源下能有较长的使用寿命)。这些都可以通过采用低功耗的压力传感器、分析测量所得数据并结合车辆实际情况(熄火或运行)来改变监控系统的工作方式及高效的数据采集控制算法等方法来降低整个系统的功耗。

用MCU、RF和传感器实现直接式TPMS系统，其基于LIN总线的TPMS方案示意图见图1。

而实用TPMS示意的轮胎气压监测系统，是由与轮胎阀一体的4个讯号发射器、收讯天线、收讯器及讯号显示仪组成的。为此有必要先对汽车应用的LIN总线有关技术作介绍。

1．关于汽车应用的LIN总线技术

(1)LIN总线的主要特征。针对汽车应用的LIN1.0(本地互连网络)和LIN2.0总线系统，它的目标是低成本应用。除了TPMS外，还有电动门、电动窗、侧镜、雨刮器、座椅安全带报警、外部照明等。LIN总线的传输速度最大为20kbps，而且它在单通道总线环路中最多能支持16个节点，总线电缆的长度最多可以扩展到40米。LIN总线是一种基于通用SCI(UART)字节接口的单线串行通讯协议。图2(a)为UN总线API到物理层的结构框图。而LIN总线的主要特征为：一个主节的点、多个从节点的概念，无需总线仲裁；低成本：基于普通UART／SCI接口硬件；自同步，在从节点中不用晶体振荡器或陶瓷振荡器时钟；保证信号传输的延迟时间；低成本单线实现连接；速度高达20kbps；基于应用交互作用的信号：LIN总线的驱动／接收器规范遵从IS09141标准。

(2)LIN拓扑结构。LIN采用单主机、多从机模式，一个LIN网络包括一个主机节点和若干个从机节点(由于过多节点将导致网络阻抗过低，一个LIN网络中节点总数不宜超过16)。主机节点既包括主机任务也从机节点却只包括从机任务。图2(b)为LIN拓扑结构示意图。主机节点也可以通过网关和其他总线如CAN连接。

2．基于LIN总线分布式的实时轮胎压力监测系统设计

图l描述了基于LIN总线的TPMS总体结构。其中，中央控制器的功能主要有三：即，通过LIN总线通知LIN从节点唤醒相应轮胎内的发送模块；通过LIN总线返回LIN从节点接收到的轮胎压力等数据；分析、显示以及声光报瞽。当LIN从节点接收到LIN主节点会向发送模块发出LF唤醒信号，让其进大工作状态。LIN主节点Master向LIN从节点发送获取命令帧,LIN从节点把数据通过LIN总线反馈给LIN主节点(主控)。

(1)轮胎内压力传感IC与发送IC合成的模块与芯片选择 1)模块选择：

由于轮胎内的压力传感IC与发送IC合成的模块都放在轮胎内，所以对IC的要求特别高．一般有如下要求：工作温度：-40℃～125℃(短时间内达150℃)；低功耗来保持电池寿命；能承受2000G(250km／h)轮胎转动时的离心力；传感器能保持长期的稳定；IC体积小，重量轻；带有压力与温度和电压检测。

其中压力传感器IC是一款集成了压力、温度、电压检测传感器、LF、MCU的IC。而发送IC是RF发射芯片系列。

2)芯片选择及特征

图3左虚线框内为轮胎内的压力传感器IC和发送IC。它们是freeseale公司的Mpxy8020A6(或Mpxy8040A)芯片和MC68HC90RF2芯片。Mpxy8020A6它内含压力传感器、温度传感器、电源控制和电池电压检测，唤醒功能的定时器(属表面微机械CMOS加工工艺，SSOP封装)；而UHF发送器+MCU(Flash)的MC68HC90RF2内含为2kB用户FLashROM、定时器、集成的射频(Rn发送器、低压检测和RAM及内部时钟发生器。整个图3左虚线框为Mpxy8020A6A与MC68HC90RF2合成的遥测模块示意图。图3右侧MC33591为UHF接收器，它内含锁相环(PLL)超高频开关键控(OOK)接收器；MC912DP256接收端控制器内含256kB Flash、12kB RAM、4kB EEP ROM、up to 5CAN、1xJ1850、256MHz工作频率。

当然轮胎内的传感器IC也可以选择Melexis公司的MLx90603芯片。MLx90603最大的特点是有不同的工作模式Shelfmode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和适合RFID、RF应用的TDMArrag Direct Mem．ory Access)mode。这些都为降低发射端功耗、延长电池使用寿命提供了最大的可能性。在发射IC方面。Melexis公司有不同频率和调制的lC和汽车级IC(1作温度-40℃～125℃)，如315MHz、433MHz、868MHz和915MHz等ISM band频段：IC FSK、ASK和FM等不同调制IC，可在1.85V～5.5V宽电压范围内工作，并且发射功率可在－12dBm～+10dBm范围内调节。