TPMS中无线接口电路的设计

　　引 言

　　汽车轮胎压力监测系统(TPMS)主要用于汽车行驶时对轮胎气压进行实时自动监测,对轮胎漏气和低气压进行报警,以保障行车安全。就TPMS系统构造而言,其采集的温度压力数据需要通过一种无线方式进行发送和接收,而且该收发电路要安装在轮胎里。这就必须要求其组成电路的芯片能够耐高温。要解决这两个问题,可以利用Motorola公司研制的发射芯片MC33493和接收芯片MC33594。该两款芯片都达到了汽车级温度(发射芯片为125℃,接收芯片为105℃)完全可以解决耐高温的问题,且工作性能极好。它们与单片机一起构成的接口电路成为TPMS系统中无线数据传输的重要组成部分。

　　1 TPMS系统总体设计

　　1.1系统工作原理

　　TPMS系统主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度传感器,信号处理单元、RF发射器组成的TPMS发射模块,安装在汽车驾驶台上的包括数字信号处理单元的RF接收器以及LCD组成。

　　一般情况下,一辆轿车需要4个TPMS发射模块和1个TPMS接收器;而一辆卡车需要6～12个TPMS发射模块。为了提高系统的接收能力和抗干扰能力,系统安装时需要在汽车底盘安装接收天线。由SP12传感器、微控制器、MC33493发射模块、MC33594接收模块等主要芯片组成的TPMS系统方案结构框图如图1所示。

　　图1中,温度压力传感器将采集到的温度压力数据通过I2C总线或RS232接口送到单片机,单片机发送一使能信号ENABLE给发射器。当为高电平时,发射机开始工作,产生一个数据时钟信号给单片机,用于信号的同步。此时,单片机发送数据给发射机,发射机将得到的数据通过天线发射出去。接收机通过天线接收到信号后,首先置RESET引脚(用于设置主从模式)为一低电平,此时微控制器为主机,通过MOSI线来设置作为从机的接收器内的寄存器,设置好以后置RESET脚为高电平。此后微控制器为从机,而接收器就变为主机。它产生时钟信号,通过MOSI线将接收到的数据发送给单片机。此时单片机(带有SPI接口)通过SPI接口与PC机实现简单的连接,以达到在PC机上显示报警的作用。

　　1.2系统设计的几点考虑

　　①由于TPMS发射模块工作在剧烈振动、环境温差变化大和不便于即时检修的条件下,因此要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性,能适应工作在-40～+125℃温度范围。为了缩小TPMS发射模块的体积、节省功耗和增强功能,需要尽可能地选用具有多种功能的小型射频收发芯片。

　　②随着能源问题越来越被重视,系统节能成为本设计考虑的一个重点问题。为了提高TPMS发射模块在一节锂电池下的工作时间,应该在大多数时间内让系统进入睡眠状态。唤醒TPMS系统中的发射部分,可采用这样一种方法：在传感器模块中增加加速度传感器,利用其对运动的敏感性,实现汽车启动时自动开机进入系统自检;汽车高速行驶时按运动速度自动智能确定检测时间周期,利用软件设定安全期、敏感期和危险期,以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力。唤醒TPMS系统的接收部分,可以利用接收机的一个引脚STROBE。在一个周期内,当检测到有效的ID时,STROBE置高电平,此时接收芯片就由休眠状态转为运行状态。

　　2 系统硬件组成及电路设计

　　2. 1 TPMS系统主要硬件组成

　　TPMS系统主要由TPMS传感器、微控制器和无线射频收发模块几个部分组成。

　　(1) TPMS传感器

　　TPMS传感器是一个集成了半导体压力传感器、温度传感器、数字信号处理单元和电源管理器的SoC模块。为了强化胎压检测功能,有不少TPMS传感器模块内还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗和带12位ADC、4KB Flash、2KB ROM、128 B RAM、128 BEEPROM及其他功能的ASIC数字信号处理单元。这些功能单元使得TPMS传感器不仅能实时检测汽车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化,而且还能实现汽车移动即时开机、自动唤醒和省电等功能。

　　(2)微控制器

　　这里微控制器采用Atmel公司推出的一种小型单片机89C205l,片内含有2KB的Flash程序存储器和128 B的片内 RAM。89C2051共20引脚。其中P1口8脚,可以作为一般的准双向端口,在引脚的驱动能力上,具有很强的下拉能力。工作电压为2.7～6V。当工作电压在3V时,电流相当于6V工作时的1/4,空闲时为1mA,掉电时仅为20mA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。主要特点为采用Flash存储器技术,其软件、硬件与MCS-5l完全兼容。其片内程序的电可擦写特性,使得开发与试验比较容易。

　　(3)无线射频发射芯片MC33493

　　摩托罗拉的MC33493器件是高温集成UHF无线电发送模块。可进行OOK(On-Off Keying)或者FSK(Frequency Shift Keying)两种调制方式。该芯片采用TSSOP-14封装,工作在300～450 MHz频段;具有FSK和OOK调制和解调能力,抗干扰能力强,适合工业控制应用;采用PLL频率合成技术,频率稳定性好;具有较小的发射功率,最大发射功率达O.18mW;数据速率可达9.6kb/s;1.9～3.6V低工作电压;功耗低,发射时电流11.6mA,发射待机状态仅为O.8μA(工作温度在125℃)。