TPMS解决方案中的几个关键问题
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关键词 轮胎压力 程序设计策略 低功耗 无线信号传输
引 言
在汽车的高速行驶中．轮胎故障是所有驾驶员最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的主要原因。据统计，在国内的高速公路上，由爆胎引发的交通事故占事故总数的70％；在美国，这一比例更是高达80％。爆胎造成的经济损失巨大，所以在汽车行驶期间，对轮胎的压力变化进行实时监测，应该成为汽车安全系统必备的功能。
研究表明，确保标准的车胎气压和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键。于是汽车轮胎气压监测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)应运而生。TPMS有直接式和间接式两种，本文提出的是直接式TPMS。历经一年多的时间，笔者成功地完成了TPMS系统的开发，并经过大量车载实验，结果表明所开发的系统工作可靠，能够达到安全预警的目的。下面着重探讨和总结一些关键技术问题。
1 汽车轮胎气压监测系统(TPMS)解决方案
TPMS包括传感器、发射模块和接收模块三大部分。传感器和发射模块连接在一起。发射模块包括处理器和发射器；接收模块包括接收器、处理器和显示器。原理框图如图l所示。
1．1 传感器
系统选用的是Infineon公司的硅压阻式压力传感器SPl2。它是一个SoC模块，内部包括压力传感器，温度传感器，加速度计，电池电压榆测，内部时钟和一个包含ADC、取样／保持、SPI口、数据管理以及ID码的数字信号处理单元。模块可以利用客户专用软件进行配置，其测量精度能达0．0l％～O．03％Fs(Full Scale，满量程)。此外，它还具备唤醒瞬态工作模式，每6s会产生一个唤醒脉冲，每50min会产生一个复位脉冲。
1.2 射频发射、接收芯片
系统中，无线射频发射部分是至关重要的环节。RF发射是主要的耗能元件。选择无线射频发射芯片时，必须考虑功耗、芯片的发射频带宽度及工作的可靠性问题。为此，系统采用了Infineon公司专门为低功耗无线射频数据传输而设计的射频芯片TDK5100F。它具有工作频带宽、功耗低、工作环境温度范围宽、数据传输速度快、工作电压范围宽、可工作在FSK和ASK两种方式及自带锁相环(PLL)等优点。另外，系统选用了与TDK5100F芯片配套的无线射频接收芯片TDA5210。TDA5210具有功耗低、灵敏度高、工作频带宽等优点。
1.3 电路示意图及程序设计策略
发射模块电路原理框图如图2所示。
发射模块程序设计如下：系统上电完成自检进入正常工作后，微控制器PICl6F54首先发指令使SPl2测试压力和温度值，判断压力和温度是否异常，即温度是否过高，压力是否过高或过低。若异常，则立即发送压力温度数据帧给接收模块；若正常，PICl6F54继续发指令使SPl2测轮胎的加速度值(指轮胎旋转的离心加速度。该加速度可用来估计汽车当时的行驶速度)，以此来设定测试压力、温度数据的时间间隔(速度高时检测适当频繁，反之，检测适当减少)；并且根据加速度对速度进行分段，保证在速度低的情况下，发送数据的时间间隔合理变长；在速度高的情况下，合理变短，从而使系统通过软件设计成功实现低功耗。
接收模块电路原理框图如图3所示。
接收模块程序设计如下：接收芯片TDA52lO接收到从轮胎模块发送来的数据，解调后通过PDO脚传送给主控制器P89V51RD2。P89V51RD2通过硬件串口的形式读取来自TDA5210的一帧数据后，先重新计算校验和以确保接收的数据无误。数据帧经过确认正确后，主控制器对数据帧中的轮胎ID与存储在P89V51RD2存储器中的4个ID值进行比较，以此来判断该帧数据来自哪个轮胎。确定之后，可保存相应的温度和压力值(包括左前胎、左后胎、右前胎、右后胎)；同时，P89V51RD2按照一定的时间间隔(比如3s)循环显示4个轮子的压力和温度值，并判断温度和压力值是否正常，以决定是否启动报警功能。报警功能包括高压报警、低压报警、泄漏报警和高温报警。
2 系统开发中的几个关键问题
2．1 天线的设计
天线的设计是本系统的重点和难点。它直接影响到系统的通信距离、可靠性和稳定性。天线设计中第一个重要的参数是天线的长度——应该是所使用波长的1/4，就本系统而言。使用的电磁波的频率是433．92 MHz，那么波长
所以 0.25λ=17.3cm
第二个重要参数是天线的阻抗。阻抗匹配在天线设计中异常重要，l／4波长天线的典型阻抗是36Ω。
在灭线的设计中，还要考虑导线间的电感、电容，通过对它们的具体计算确定元器件的参数，以最大限度地达到阻抗匹配的目的。导线电容、电感的具体计算公式如下：
①相邻导线间的电容
式中：l为平行线的长度(cm)，s为相邻导线间距(mm)，l为导线厚度(mm)，w为导线宽度(mm)，εr为基板的相对介电常数；所求电容的单位为μF。
②导线电感
式中：l为导线长度(cm)，w为导线宽度(cm)，t为导线厚度(cm)；所求电感的单位为μH。
③平行导线问互感
式中：l为导线长度(cm)，D为两导线中心距(cm)；所求互感单位为μH。
通过大量的改进和测试，天线的传输距离在原来12m左右的基础上改进到后来的30 m以上，大大增加了信号的传输距离和传输稳定性。
2.2 低功耗
由于传感器电池很难更换，为了保证TPMS发射模块在一节锂电池下能工作5～7年，系统的低功耗是一个十分重要的课题，因此只有在大多数时间让系统进入睡眠状态，才能省电与延长电池寿命。
本系统选择了英飞凌公司的SPl2传感器。利用该传感器的唤醒瞬态工作模式(每6s输出一个唤醒信号，每50min输出一个复位信号)，当它工作在睡眠模式时，电流消耗仅O．6μA／s；另外，在该传感器模块中增加了加速度传感器，利用其质量块对运动的敏感性可以实现汽车启动自动开机。当检测到加速度很小时(表示汽车没有运动)，让系统进入睡眠状态，可大大降低系统功耗；在汽车开动的情况下，可通过判断加速度的大小，来设定不同的测试时间间隔和发射数据时间间隔。加速度大(即车速高)的时候测试和发射数据的频率高，加速度小(即车速低)的时候频率低，由此可最大限度地节约电池损耗，延长电池的使用寿命。这里值得指出的是，SPl2测得的加速度是轮子转动的离心加速度，轮子转速大，离心力大，离心加速度也大；反之，离心加速度小。根据换算公式a=ω2r(其中，ω为车轮转动的角速度；r为发射模块相对于轮轴的距离)，只要知道车轮转动的角速度w就可求得加速度a。
2.3 无线信号传输
TPMS需要着力解决的一个关键技术是无线信号传输的稳定性和可靠性问题，特别是高速行驶时的信号传输的稳定性。由于高速行驶及丁作环境比较恶劣，而且汽车内电子产品丰富，信号会出现漂移及时有时无的情况；另外在使用手机、汽车音响等产品时，信号相互会有干扰，信号的稳定性会受到影响，因此，屏蔽和抗干扰等问题就显得尤为重要。
为此，在选择无线信号传输收／发模块时使用了芯片组TDK5100F和TDA5210；同时，为提高数据抗干扰能力，采用Mailchest编码和FSK(Frequency-Shift Keying频移键控)方式进行无线传输，再利用循环冗余校验(CRCCCITT)对无线信号传输质量进行检查控制，进一步保证了无线信号传输的稳定性和可靠性。
3 系统性能分析
笔者用人工模拟的方法对高压、低压、高温、漏气以及SPl2的加速度功能进行了测试：压力和温度的显示精度达到国内外已有产品的要求；报警及时、准确。整体效果较好。
通信方面，经过几次对天线的改进，通信距离已经达到30m以上，在周内外同类产品中占据领先地位。另外，把测试系统装入汽车进行了现场测试，一方面，系统克服了各种强大的干扰，通信可以顺利进行；另一方面能实时反映轮胎的气压和温度状况。
结语
在实际开发的基础上，本文提出了一种直接式TPMS的解决方案，介绍了系统的工作原理；通过计算导线电容、电感，改进了天线效果；通过充分利用SPl2的加速度检测功能，实现系统的低功耗设计；通过采用FSK方式、Manchest编码和CRC校验改善了无线信号传输。实际运行结果表明：系统功能较好，满足实际应用的要求。
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