基于射频收发芯片CC1100的TPMS方案

基于射频收发芯片CC1100的TPMS方案

0 引言 
    汽车工业的发展带动汽车配备用品行业的发展和技术升级。其中，继安全气囊、ABS（防抱死制动系统）后，国际汽车领域出现的TPMS（汽车胎压检测系统），被誉为新一代汽车高科技安全配备用品。在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在高速公路上发生的交通事故有70％～80％是由于爆胎引起的。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据有关专家分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。 

    国外自20世纪70年代末开始研究轮胎气压监测装置，归纳起来，主要分为两种类型：一种是基于车轮速度的（间接式）；另一种是基于压力传感器的（直接式）。现在美国及欧洲一些国家已将TPMS作为汽车必装设备。我国TPMS的研究虽然起步较晚，但在2003年11月24日颁布的国家标准——《机动车运行安全技术条件（征求意见稿）》中，对安装轮胎压力检测装置作出了说明，可见我国已开始重视TPMS的发展。 

    本文提出的TPMS采用模块化的设计，规范化的编程，其核心部分是将采集到的温度压力数据通过无线方式进行发送和接收。利用Chipcon公司生产的无线收发芯片CC1100能很好地解决这一问题，它支持ZigBee无线网络技术，功耗低，无需申请频点，传输可靠。 

1、轮胎工作特性及TPMS技术要求 
    轮胎由橡胶和骨架材料制成，装于轮胎毅的外侧，支承汽车重量，吸收和缓和冲击与振动，并使汽车与地面保持良好的附着性能，从而有效地传递汽车的驱动力矩或制动力矩。轮胎的工作特性对汽车的安全行驶影响很大。 

    影响轮胎正常工作特性的因素主要有： 
a）轮胎温度过高。由于环境气温过高，以及轮胎在高速旋转时与地面的摩擦，都有可能导致轮胎温度过高，从而使橡胶老化，缩短了轮胎的使用寿命。 

b）轮胎内部气压过大或欠压。当汽车负载过高或者温度过高而引起胎内气体膨胀时，都会导致轮胎内部气压过大而发生爆胎现象。 

c）轮胎漏气导致欠压，也会增大轮胎和地面的摩擦，不仅耗油，还会缩短轮胎的使用寿命。 

    轮胎的机械性能主要是通过轮胎内部的温度和压力反映出来，因此，TPMS只要能够实时地检测到轮胎内部的温度和压力情况，就可以分析出轮胎的运行状况。 

    由于TPMS发射系统处于轮胎的封闭状态中，因此，系统的主要技术要求如下： 

a）考虑到安装并采用纽扣电池供电等问题，采样发射端应体积小、功耗低。 
b）系统能识别本各采样发射端发来的温度、压力测量值。 
c）系统能滤除别的汽车发来的任何数据。 
d）接收端能对各采样发射端发来的温度、压力测量值实时显示，并能进行越限报警。 

2、TPMS原理与硬件设计 
2.1 TPMS的系统结构 
    TPMS由采样发射模块和接收模块构成。采样发射模块安装在轮胎内，接收模块安装在车厢内。采样发射模块对压力传感器检测的气压和温度信号进行采样，由MCU（微控制单元）进行数据分析处理后送给射频发射电路，信号经调制后发射给接收模块。接收模块的解调电路将发射模块发射出来的射频信号放大解调后，将数字信号送给MCU。MCU作出相应的处理，如更新当前压力值、声光报警等，从而实现轮胎压力的显示和监控。由传感器、MCU、发射、接收等主要芯片组成的TPMS结构框图如图1所示。系统总体布局如图2所示。 

2.2系统功能与总体设计 
    TPMS采样发射模块工作在剧烈振动、环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下。因此，要求所有的器件有很高的可靠性和稳定性，能适应宽的温度范围和剧烈的震动。为了缩小TPMS采样发射模块的体积、节省功耗和增强功能，需要选用功耗低，功能强的芯片。 

    为了延长TPMS采样发射模块电池的使用寿命，使其能工作3～5年，系统节电是一个十分重要的课题。只有在大多数时间系统进入睡眠状态，才能省电与延长电池寿命。 

系统的主要功能如下： 
a）实时监测各轮胎的温度、压力情况。 
b）当某个轮胎的压力过高、过低时报警。  
c）轮胎保养换位时，各轮胎采样发射模块的位置编号可重新设定。 
d）可显示各轮胎当前压力值、温度值。 

    安装采样发射模块时，将5个模块逐个开启工作，进行注册。接收端接收到采样发射模块发来的未注册的ID（识别码）编码后实施注册，并由人工设置相应的轮胎编号。接收端的MCU将ID与轮胎编码存储在E2PROM中，供正常工作时使用。 

    若轮胎中模块失效后，可以将要变更的采样发射模块ID从主机接收模块中删除后重新注册。轮胎保养换位后可以在主机接收模块中重新设置轮胎编码。 

    由于各采样发射模块ID的非重复性，可以有效地避免同一车辆的5个轮胎采样发射模块之间或不同车辆采样发射模块之间的互相干扰。 

    汽车行驶时，接收模块中振动传感器检测到汽车振动信号，TPMS被激活。主机通过收发芯片发送命令将采样发射模块从休眠中唤醒。采样发射模块将轮胎内部的温度与压力值经打包后发送出来。接收模块将接收到的数据包中的ID与存储在主机E2PROM中的ID及轮胎编码进行比对，以确定是哪个轮胎的数据，并进行存储与显示。当轮胎的压力过高或过低时，进行报警。汽车停止时，振动传感器检测不到振动信号，TPMS便进入休眠状态。汽车停止时，若想知道轮胎内部的温度与压力值，驾驶员可通过按键激活TPMS，读取轮胎当前压力、温度值。 

2.3无线采样发射模块设计 
    由SP12、ATmega48（以下简称AT48）和CC1100构成采样发射模块。SP12是一种压力传感器。测量范围100 kPa～4 500 kPa，内部具有A／D和SPI（串行外设接口），可以方便地在TPMS中应用。SP12为14引脚贴片封装，不需要其他的外部器件。 

    AT48是ATMEL公司生产的基于AVR增强型RISC（精简指令集计算机）结构的极低功耗8位CMOSMCU。正常模式为：1 MHz，1.8 V／300μA；32 kHz，1.8 V／20μA（包括振荡器）；掉电模式为：1.8 V／0.5μA。 

    CC1100是一种低成本的基于Chipcon′Smart RF（射频）技术的单片可编程UHF收发芯片，为低功耗无线应用而设计。其工作频段灵活，可以设定在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM（工业、科学和医疗）和SRD频段。功耗低（接收电流小于16 mA，发射电流小于30 mA，休眠时电流小于10 μA，且支持ZigBee无线网络技术。CC1100的主要工作参数能通过SPI接口编程改变，这样使CC1100使用起来更灵活。 

    采样发射模块电路设计如图3所示。传感器SP12将采集到的数据发送给AT48，AT48将数据通过SPI口送给CC1100，再由CC1100转换成数据帧发送给主机接收模块。 

    模块发射频率由发射芯片CC1100的晶振及外部元件决定，本系统选择发射频率433 MHz，这时引脚8和引脚10接26 MHz晶振。C2为（3.9±0.25）pF，C3为（3.9±0.25）pF，C4为（8.2±0.5）pF，C5为（5.6±0.5）pF，C6为220pF±5％，C7为220pF±5％，L2为27nH±5％，L3为27nH±5％，L4为22nH±5％，L5为27nH±5％。电阻R2用来设置一个精确的偏置电流。C3、C2、L2和L3形成一个平衡转换器，用以将CC1100上的微分RF端口转换成单端RF信号。CC1100支持振幅、频率和移相调制格式，可以通过寄存器MDM-CF2.MOD_FORMAT进行配置。 

    通过设置CC1100寄存器WORCTRL将其配置为WOR（电磁波激活）方式，并设置寄存器位MCS1.RX-OFF_MODE。当采样发射模块接收到有效数据包后，CC1100被激活并进入发射模式同时唤醒AT48。 

2.4无线接收模块设计 
    接收电路由无线收发芯片CC1100和AT48组成，如图4所示。

    CC1100和AT48通过SPI口进行数据传输。在接收状态时，由SCLK作为同步时钟，CC1100收到有效的数据信息，将数字信号送给AT48的SPI口。AT48将接收到数据进行译码，从数据流中提取各轮胎的温度和压力值，然后作出相应的处理，如更新当前温度和压力值、声光报警等。在接收之前，AT48通过对SPI数据寄存器SPDR写相关数据，对CC1100进行初始化和配置相应寄存器，然后等待接收数据。 

3、软件设计 
3.1系统拓扑结构 
    接收模块和采样模块采用主从方式，接收模块可看做是主设备，轮胎内部的采样模块是从设备。为实现采样发射模块与接收模块之间可靠的无线通信，两者之间必须以一定的协议进行。 ZigBee网络中包括协调器、FFD（全功能器件）和RFD（简化功能器件），并支持星形网络、树状网络和网状网络3种网络拓扑结构。考虑到普通小轿车有4个轮胎和1个备用轮胎，每个轮胎内的采样发射模块作为ZigBee网络的1个子节点，子节点之间不进行数据的传输，只与车厢内的接收模块进行通信，因而选用星形拓扑结构。RFD子节点通过ZigBee无线网络将数据以帧的形式传送给接收端，再由接收端主机对数据进行分析、处理后显示出来。图5是ZigBee网络的数据帧格式。 

3.2软件设计 
    采样发射模块与接收模块（主机）间的通信模式如图6所示。 

   
    采样发射模块向接收模块发送的数据帧格式如图7所示。 

3.2.1采样发射模块程序流程 
    采样发射模块的主程序流程如图8所示。当CC1100检测到唤醒命令时被激活，并唤醒MCU。MCU配置CC1100进入发射模式。MCU采集传感器检测到轮胎内的数据进行处理后，由CC1100发往主机。发送成功后，CC1100和MCU则重新进入休眠状态。寄存器配置如表1所示。 

3.2.2接收模块程序流程  
    接收模块的程序流程如图9所示。 

    接通电源后，AT48先进行初始化，再对CC1100进行配置。当MCU检测到振动信号时，给采样发射模块发送激活命令。发送命令成功后，立刻进入接收模式，若CC1100接收状态准备好，则可以接收数据。若接收到的数据是有效的，则将接收到的ID与存储在单片机E2PROM中的ID码进行比较，如果与其中的某个ID相匹配则数据就被处理并保存。当检测到温度、压力值偏离正常值则进行报警，提醒驾驶员注意。驾驶员也可通过显示器察看当前检测到的轮胎内部的温度和压力值。 

    具体实现程序段如下： 

4、结束语 
    本文提出的基于ZigBee无线网络技术和无线收发芯片CC1100的TPMS，充分利用无线收发芯片CC1100、AT48和传感器SP12的特性，采用低功耗、低复杂度的ZigBee网络技术作为通信协议，在电磁波激活模式下，发送数据包成功后CC1100可以进入深度休眠状态，大大降低了模块功耗。每个轮胎都设置了固定的ID码以避免外界的干扰，驾驶员可以在驾驶室手动读取任何一个轮胎的温度、压力值，实时监测轮胎状况，预防轮胎故障。该系统的实现为防止汽车爆胎提供了一个有效的途径。