直接式TPMS轮胎压力监测系统设计

摘 要  着重介绍实现轮胎压力监测系统(TPMS)的电路设计和相关技术问题。TPMS系统由压力传感器模块和中央接收机组成。压力传感器SPl2、微控制器和433 MHz收发一体射频IC(nRF401)组成的压力传感器模块，完成轮胎压力的采集和发射任务。接收机接收压力信息，并进行处理。
关键词 TPMS 轮胎压力监测 nRF40l 射频

    伴随着城市交通技术的不断发展，人们在享受高速公路高效便捷方式的同时，随之引发的交通事故率也在提高，其中由于轮胎的气压引起的比例高达80％，这种现象使得人们要对行驶中的轮胎气压进行监测。一些发达国家陆续推出了相关法案(美国的TREAD法规)，要求新车装配中必须装配能够对行驶中的轮胎气压实时监测的安全电子装置。因此，在未来汽车上加装轮胎压力监测系统(TPMS)，也必将和ABS、安全气囊一样，是必然的发展趋势。轮胎压力监测系统全天候对轮胎里的压力进行监测，对轮胎的漏气和低压、高压进行报警，使车辆始终处于安全运行状态。

1 系统设计
    TPMS系统由轮胎压力传感器和接收机组成。轮胎压力传感器选用MicrochiP公司的PICl6F628A低功耗8位MCU，压力传感器选用英飞凌的SPl2，射频IC选用N0rdic公司的nRF40l。
   
    装在轮胎里的压力传感器将轮胎里的压力、温度信息传送给驾驶室里的接收机，让司机随时了解轮胎中的气压情况，如图l所示。

1.1 射频电路
    在图2所示的射频信号电路中，采用挪威Nordic，公司的nRF40l器件，该器件是433 MHz ISM频段的单片UHF无线收发IC。它采用FSK的调制解调技术，其最高工作速率可达20 kb，发射功率可调，最大达lO dBm。基本技术指标如下：

    中心载频点为433.92／434.23 MHz；
    最大发射功率为10 dBm
    工作电压为2.7~5.25V；
    接收时消耗电流为250μA，发射时最大为28 mA，待机电流为8／μA。
    NRF401的ANTl和ANT2是天线的输入／输出复用脚。在输入模式时，射频信号通过将该脚连接到低噪音放大器后解调；同样，在输出模式时，调制的信号在功率放大后，通过该脚输出。
    4脚为nRF401的PLL锁相环滤波器输入，该脚正常工作时的电压是l.lV±0.2V。
    5脚和6脚为压电晶振控制的外围电路，此两脚间接一个Q>45@433 MHz值的22μH电感。
    7脚和8脚分别为数据输入脚和输出脚。配合18脚PWR_UP和19脚TXEN上的电位时序完成信息的发送和接收。图3是进行数据发射和接收时控制各引脚操作时序图。

    11脚外接射频功率控制电阻。如图2中的R3，该值在22~100kΩ之间。一般在30kΩ左右达到7 dBm。

1.2 螺旋天线的结构
    由于天线有不同类型，应根据具体应用要求来选择。本应用中，天线位于汽车轮毂内。紧靠气门嘴。在高速行驶中，天线不断变换方向。为了尽可能扩大接收的角度，选用螺旋天线。
   
    螺旋天线的圈数(N)、直径(D)和圈距(S)决定了天线的增益和方向性。
    天线的总长为LN=NLO=Nsqit(S2+C2)这里C=xD是螺旋的园周，Lo=sqrt（S2+C2）是一圈导线的长度。
   
     另一个重要参数是螺旋角α，它是螺旋线切线和螺旋轴垂直平面的夹角。螺旋角的定义为α=tan-1(S／C)螺旋天线有以下2
种工作模式。
    ①常态模式。在常态工作模式，天线辐射场在相对于螺旋轴的法线平面有极大值。对于该模式：NLo〈〈λ。
    ②轴向(端射)模式。这种工作模式只有一个主瓣，它的最大辐射强度沿着螺旋轴，副辦与轴间有一个倾斜角度。为激励这种模式，其直径D和空间3必须是波长的一个大分数。

1.3 传感器电路
    SPl2是英飞凌公司的轮胎压力传感器IC，如图4所示，通过MEMS技术集成了压力和温度、加速度、电压的检测电路，直接以数字形式输出各物理量的示值，与外围采用SPI协议进行交互。

    同时内部有两个时钟信号，WAKEUP和RESET。WAKEUP每6s输出一个脉冲信号，RESET每隔约54min输出一个脉冲信号，低电子有效。

1.4 系统功耗
    由于要求TPMS系统整体静态电流小于20μA，所以保证选用的器件必须是低功耗或超低功耗的芯片。PICl6F628A的静态电流为0.lμA，传感器SPl2的静态电流为O.6μA，射频NRF401的待机电流为8μA。
   
    经过实测，静态功耗Ist=Ist_mcu+Ist_sensor+ist_rf+Ist_cap=15μA。Ist_cap为钽电容的泄露电流。动态功耗在射频处于连续发射的情况下，经实测为25mA(最大值。

2 软件设计
2.1 软件总体设计
    软件总体分为4个运行模式：调试模式(工厂诊断用)、初始化模式、睡眠模式(休眠)和测量模式。
(1)调试模式
    主要执行产品出厂的一些内部测试和诊断功能。体包括传感器测试和射频测试两部分。
(2)初始化模式
    接收主机给定的ID码和级别判定阀值。
（3）睡眠模式
    以最低的功耗运行，响应系统的运行要求。
（4）测量模式
    测量模式主要完成以下功能：
    ①定时测量轮胎压力、温度；
    ②压力在不同级别区域内有报警时，同一个级别只上报一次；
    ③压力无变化，固定间隔时间段上报一次压力、温度；
    ④保证系统可靠性．系统每隔约l小时复位一次。
    ⑤不同级别报警同时出现，则以高温、高压、低压级别的优先级报警。
    它们的相互转换关系如图5所示。
    系统上电复位的工作流程图如图6所示。

2.2 传感器数据的处理
    SP12是压力传感的IC，内部直接处理得到的数字量，只需通过SPI物理接口，向它发送对应的命令字和指令，就可以得到当前轮胎的压力、温度、加速度等值。由于PICl6F628A无SPI模块，这里可通过软件来模拟SPI驱动。达到与SP12通信的目的。

2.3 射频数据的处理
    为了保证在恶劣的环境下收发数据的可靠性，以及根据本应用信息量小，数据简单的特点，采用信息冗余的方法来保证数据可靠地接收，即连续发送相同内容的信息。
    数据的发送处理采用MCU内部的USART模块。
    数据帧格式为前导符+同步字符+ID码+压力+温度+报警位+校验码。
    数据的接收处理，nRF40l在接收模式下，DOUT脚有连续的随机信号输入，如何高效地在字节流中筛选出发送的信息呢?这里，因为发送格式是固定的，故采用在中断处理过程中用有限状态机的方式来处理。

结 语
    该TPMS系统具有体积小，成本低，双向金时的特点，得到广泛的应用。对于拥有几千万辆汽车的国内，将具有非常广阔的市场前景。这将掀起新一轮汽车压力传感器应用的高潮。