基于MPXY8020传感器的TPMS系统设计分析
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目前出现的TPMS主要分为间接式和直接式。间接式TPMS使用ABS轮胎速度传感器来测量每一个轮胎的转速,从而判断轮胎压力,该系统虽然具有不用电池、耐用性强等优点,但准确性、可靠性差。直接式TPMS系统主要用于汽车行驶时,能够适时地对轮胎气压进行自动监测,对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压导致爆胎进行预警,确保行车安全,因此逐渐成为市场主流。本文主要介绍基于MPXY8020传感器的直接式TPMS系统设计,并对直接式TPMS的设计难点进行分析。
TPMS系统框图及系统工作原理
TPMS系统由数个发射模块和一个接收模块组成。图1为发射模块框图,该发射模块安装在轮胎内,通过压力温度传感器可以测量该轮胎内气体的压力和温度,发射端中央处理器负责数据处理,并将发射机ID号、压力、温度等信息组帧后经曼彻斯特编码送到RF发射电路,最后由RF电路将数据FSK/ASK调制后通过发射天线发射出去。整个发射模块由一只电池供电。
图1 发射模块
图2为接收模块框图,该接收模块安装在驾驶室前端可以方便驾驶员看到的位置。RF接收电路通过接收天线接收发射模块的无线信号,并将接收到的信号解调、解码后送给接收端中央处理器,中央处理器处理数据后根据ID号将各个轮胎的压力/温度值显示在显示器相应的位置上,使驾驶员可以随时了解每个轮胎的压力温度信息,确保行车安全,如轮胎发生异常时接收模块会自动及时向驾驶员发出警报。接收模块可以用车载电源|稳压器或电池。
图2 接收模块
基于MPXY8020传感器的发射模块设计
TPMS系统中发射模块的设计采用摩托罗拉的MPXY8020和68HC908RF2,前者为电容式压力和温度传感芯片,后者为MCU和RF发射电路集成芯片。
发射模块硬件电路设计
MPXY8020是专用于TPMS系统的多功能、低功耗的传感芯片,其内部除了压力和温度传感电路外,还具有内部唤醒功能的数字接口电路,如图3。8020传感器与MCU的接口有6个端口：S1和S2是8020的工作模式控制端口,根据MCU对这2个端口的逻辑状态控制不同,8020可以分别工作在低功耗的待机模式、压力测量模式、温度测量模式及测量数据输出模式;DATA和CLK为软件控制的串行接口,进行测量数据的传输;OUT端口为复用端口,8020在待机模式下,可以每3s内部自唤醒并通过OUT端口以中断方式唤醒MCU。当8020在测量数据输出模式时,OUT作为内部比较器的逻辑状态输出;RST具有52min复位MCU的功能。
图3 发射电路
值得注意的是,8020传感器的A/D转换是逐次逼近型的反馈式转换器,其原理是8020内部具有8位移位寄存器,MCU通过8020的DATA和CLK端口首先输入10000000二进制数据,将8位寄存器D/A转换的模拟量与压力或温度的真实测量值进行比较,并判断OUT端口的状态,如果OUT端口为低,说明逼近值大于真实值,此时可以确定真实值最高位为0;如果OUT端口为高,说明逼近值小于真实值,此时可以确定真实值最高位为1。依次类推从高位向低位可以逐次逐位逼近真实测量值,这样MCU可以确定最终的压力和温度测量值。
68HC908RF2内部高性能8位处理器主要负责与传感器的数据传输、数据分析处理及与RF发射电路的数据传输与控制。在图3发射电路中,PTA1和PTA2作为输出端口控制8020的工作模式;PTA3和PTA4作为输出向8020移位输入测量逼近值;PTA5是复用端,当MCU读取传感器的测量值时,PTA5通过OUT获取比较器的状态,当MCU在省电模式时PTA5作为键盘中断输入端口,通过OUT获得3s中断。另外,S1是速度开关,当汽车运行或停止时S1开关可以导通或闭合,这样MCU就可以根据车辆运行状态对程序作有效处理。
68HC908RF2内部还集成一个多频带工作的FSK/OOK调制电路,其工作方式由数字控制端(BAND和MODE)的逻辑状态决定。BAND为工作频带选择端口,将BAND置高,并选择晶体振荡器Y1为13.56MHz,此时经过32倍频后产生载波频率为434MHz的RF信号。MODE为FSK/OOK调制模式选择端口,将MODE置高,RF电路工作于FSK模式。
68HC908RF2虽将MCU和RF电路集成于一体,但其接口电路仍需要外部连接,如图3示。PTB1作为输出控制RF电路的使能端ENABLE;PTB2和PTB3作为串行口与RF电路的RFDATA和DATACLK相连,经过曼彻斯特编码后的压力温度等信息,以二进制数据流的方式传输给发射电路, 发射电路再以FSK方式进行发射。其FSK工作原理较为简单,当RFDATA输入“1”或“0”时,引起CFSK的输出阻抗的变化,从而切换晶体振荡器Y1的两个负载电容C1和C2,负载电容的改变使晶体振荡器的谐振频率发生很小的偏移,这样经过倍频后FSK信号就可以产生。
发射模块固件程序设计
发射模块的固件程序从功能上来看较为简单,但从系统的可靠性、使用寿命等方面来考虑,对程序设计的安全性、经济性、有效性等提出很高的要求。特别是依靠1块500mAh的锂电池TPMS发射机要工作8年以上,除了优秀的硬件设计外,固件程序对发射模块的各个电路进行经济、有效的控制显得尤为重要。
图4为简单的程序流程图,考虑省电的问题,整个发射模块一般时间都处于省电模式。当MPXY80203s中断唤醒MCU后,MCU立即控制8020进行压力温度检测并获得压力温度测量值,MCU再对测量数据进行判断,看轮胎压力及温度是否处于正常状态：如果胎压、温度正常,再判断定时发送数据的时间,如果定时时间没有到就进入省电模式,定时时间到,则进行组帧、曼彻斯特编码、发送RF数据,最后再进入省电模式。相反,如果胎压、温度异常就直接进入发送数据的程序。
图4 发射流程图
接收模块设计
本系统接收机采用摩托罗拉的接收芯片MC33594和中央处理器68HC908GT16,显示器采用液晶显示屏|显示器件。
接收模块硬件电路设计
MC33594是一个具有自动增益控制的高灵敏度的OOK/FSK解调芯片,内部包括混频、中频放大、锁相环、解调、数据管理及SPI接口等电路。MCU可以通过SPI接口对MC33594的内部寄存器进行配置,从而设置该接收芯片的调制类型、数据接收码速率、RF载波频率等信息。图5为TPMS接收电路,MC33594通过接收天线接收发射机发射的RF信号,将RF信号解调后通过SPI接口以中断方式传输给68HC908GT16(MCU),MCU负责处理数据、显示数据,并在必要时启动报警电路。
图5 接收电路
接收模块固件程序设计
接收程序与发射程序类似,虽然功能简单,但从可靠性来看,特别当一个接收机要同时接收4个发射机甚至更多发射机的数据时,接收程序处理数据的有效性、及时性显得更为重要。
图6为接收机程序流程图,考虑接收数据的有效性,我们设计SPI中断方式接收数据,收到数据帧后MCU解析出发射机的ID号、压力值、温度值等信息,再判断该发射机的ID与本接收机内存储的ID是否一致,如果不一致,则丢弃该组数据并进入省电状态。如果ID一致,则处理数据并根据ID显示相应轮胎的压力温度数据,在压力或温度超出正常范围时能及时、准确地报警。
图6 接收流程图
无线通讯及协议
TPMS系统无线通信的设计关乎整个系统数据传输的可靠性,接收芯片MC33594提供了灵活的软硬件通信资源。通过软件对MC33594的内部寄存器CR1、CR2、CR3进行编程,设定本TPMS系统的载波频率为434MHz,无线数据传输速率为9600bps。发射模块与接收模块的数据传输采用固定帧长,格式为：帧头(2字节)+发射机ID(4字节)+压力数据(1字节)+温度数据(1字节)+状态信息(1字节)+校验(1字节)+帧尾(1字节)。
其中帧头包含同步头、预设的ID信息(用于RF信号识别)、报头标志(为二进制曼彻斯特编码0110),同步头用于唤醒MC33594的内部电路,并通过PLL锁定RF载波频率;预设的ID信息用于识别系统信息的匹配;如果预设的ID信息匹配,则启动数据管理器,再判断报头是否到达,收到报头后正式接收数据。
TPMS系统设计中的难点分析
信号可靠性要求
TPMS是一个测量胎压、温度等,涉及安全信息的无线收发系统,其信号可靠性是设计中始终要考虑的问题。该信号可靠性包括两个方面：数据接收率和误码率。数据接收率是指接收机能否可靠地收到发射机发射的每一帧数据,不仅涉及接收机的灵敏度和发射机的发射功率,还有一个重要的影响因素：当发射机装入轮胎而接收机放入车内时,车体本身相当于一个屏蔽盒,对信号的衰减相当大,再加上多个发射机的数据冲突及周围环境的干扰等,导致系统的数据接收率较低。误码率是指发射机发射的信号在传输途中因为外界环境干扰致使接收机收到错误的数据信息,导致系统可靠性降低。
在基于MPXY8020的TPMS设计中,我们采用高增益的发射天线及匹配电路使发射功率达到理想的设计要求,特别在接收端除了匹配电路设计外,一方面,根据汽车上无线电传输路径的研究分析,采用双天线的接收模式;另一方面,根据多发射机发射信号的随机性和冲突性,采用时差间隙发送数据的方式进行发射,并在接收软件的设计中采用中断接收循环处理的接收模式,这样TPMS信号 接收率可高达98%以上。另外在软件设计中对传输数据采用多种校验方式相结合的方法,使系统的误码率大为降低。
当然,频繁的发射数据可以增加接收机接收数据的几率,从而提高系统可靠性,但这样会大大降低电池的使用寿命。
环境要求
TPMS作为汽车上应用的产品,其环境适应方面要求相当严酷,特别是发射机,除了温度范围宽以外,还要达到防水、防盐雾、抗振动、抗冲击、电磁兼容等诸多要求。这样对原材料提出很高的要求,比如电池的工作温度必须达到-40～125℃;发射机外壳必须采用高强度、高韧性、耐高低温的材料等。TPMS发射机的生产工艺也要求很高,比如采用密封、灌胶等工艺,还要在生产过程中设计诸多的环境试验。
关键元器件之一的电池,采用TADIRAN的TLH2450电池,达到温度的设计要求;结合发射机外壳的环境要求和基于对各种塑料材料的特性分析,采用尼龙、玻纤等合成材料设计发射机外壳,达到了抗振动、抗冲击、耐高低温等设计要求;另外,对发射机的制作采用灌胶密封的方式,即使将发射机全部浸没水中,也可以正常发射数据。
体积重量要求
TPMS发射模块要装入轮胎内,则体积不能过大,太大会给轮胎安装、拆卸造成很大的问题;其次,发射模块的重量要很轻,否则会对轮胎的动平衡产生影响。因此在TPMS的设计中,对发射模块的体积和重量都作了严格的限制,达到了体积小、重量轻的设计要求。
使用寿命要求
TPMS的使用寿命一般要达到8～10年,这对仅靠一只500mAh的电池(电池容量过大会增加发射模块的体积和重量)维持工作的发射机的设计确实是不小的难题。除了硬件电路的设计功耗要极小以外,TPMS发射机的固件设计相当重要,在保证系统可靠性要求的前提下,发射机的传感器测量次数、RF数据发射次数都要作严格控制。因此,设计者往往要在系统可靠性及寿命要求的矛盾中作优化。
在基于8020传感器的TPMS设计中,考虑到发射机以3s中断唤醒MCU的方式进行工作,其发射模块大多时间都在省电状态,因此对省电状态的功耗设计达到0.6uA以下,另外在电池极端寿命的实验下基于对发射机发射次数的统计,理论计算该TPMS系统的寿命高达10年以上。
结语
直接式TPMS系统在产品化设计中面临诸多难点。作为汽车安全产品,应更多关注其系统的失效分析。随着TPMS技术的不断发展,新的TPMS技术方案集成度越来越高,特别是将传感器、MCU、发射电路集成于一体后,不但发射模块的体积更小、重量更轻,其性能、功能等都有很大的提高,如增加了LF、LVD、加速度测试等功能,甚至通过CAN总线使TPMS系统与整车电子系统相连,从而实现信息共享。
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