汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用芯片

當今世界已有不少國家高速公路安全協(xié)會立法強制實施，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)TPMS(Trie pressuremonitoring system)，對于提高汽車安全性帶有舉足輕重的影響，而其低功耗、惡劣環(huán)境下長期運行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長的工作壽命等是TPMS的重點要求，因此其方案的設(shè)計和芯片選擇也圍繞這些要求進行。

目前TPMS主要有三種實現(xiàn)方式，即直接TPMS系統(tǒng)、間接TPMS系統(tǒng)和正在推出的混合TPMS。但是，間接TPMS有一定的局限性。直接TPMS采用固定在每個車輪中的壓力傳感器直接測量每個輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會通過發(fā)送器將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央微處理器進行分析，分析結(jié)果將被傳送至安裝在車內(nèi)的顯示器上。顯示器的類型和當今大多數(shù)車輛上裝配的簡單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個輪胎的實際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直包括從機任務(wù)，接TPMS可以連接至顯示器。告訴司機哪個輪胎充氣不足，并可檢測到較小的氣壓降。為滿足多輪胎壓力檢測要求，由于系統(tǒng)安裝了直接氣壓傳感器，則混合TPMS能夠克服常規(guī)直接TPMS的局限性，它們能夠檢測到在同一個車軸或車輛同一側(cè)的兩個處于低壓狀態(tài)的輪胎．當所有4個輪胎都處于低壓狀態(tài)時，系統(tǒng)也可以檢測到故障。

這就意味著，MCU、傳感器和射頻發(fā)射器都被封裝在一起。與現(xiàn)有的產(chǎn)品相比較它集成了氣壓傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、搭載片上閃存的8051微處理器、低頻接收器接口以及315／433／868／91．5MHz射頻發(fā)射器。除減少組件數(shù)量外，它還可以降低系統(tǒng)總體成本，因為板卡設(shè)計更加簡單，尺寸更小。而另外一項重要的設(shè)計挑戰(zhàn)來自于無線控制，第一代TPMS發(fā)送器的設(shè)計采用SAW共振器的ASK調(diào)制技術(shù)來產(chǎn)節(jié)點發(fā)出的喚醒命令時．該生適當?shù)陌l(fā)射頻率?，F(xiàn)在的TPMS都采用基于晶體振蕩器的FSK調(diào)制方法和PLL合成器來產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。

本文以基于LIN總線分布式實時輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的方案為例作分析，并對用于TPMS的新型芯片作介紹。

一、 基于LIN總線分布式的實時輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

為實現(xiàn)長期(≥10年)便用壽命這一目標，必須使用低功耗集成化部件，且其電源成為首要的挑戰(zhàn)(在有限的能源下能有較長的使用壽命)。這些都可以通過采用低功耗的壓力傳感器、分析測量所得數(shù)據(jù)并結(jié)合車輛實際情況(熄火或運行)來改變監(jiān)控系統(tǒng)的工作方式及高效的數(shù)據(jù)采集控制算法等方法來降低整個系統(tǒng)的功耗。

用MCU、RF和傳感器實現(xiàn)直接式TPMS系統(tǒng)，其基于LIN總線的TPMS方案示意圖見圖1。

而實用TPMS示意的輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，是由與輪胎閥一體的4個訊號發(fā)射器、收訊天線、收訊器及訊號顯示儀組成的。為此有必要先對汽車應(yīng)用的LIN總線有關(guān)技術(shù)作介紹。

1．關(guān)于汽車應(yīng)用的LIN總線技術(shù)

(1)LIN總線的主要特征。針對汽車應(yīng)用的LIN1.0(本地互連網(wǎng)絡(luò))和LIN2.0總線系統(tǒng)，它的目標是低成本應(yīng)用。除了TPMS外，還有電動門、電動窗、側(cè)鏡、雨刮器、座椅安全帶報警、外部照明等。LIN總線的傳輸速度最大為20kbps，而且它在單通道總線環(huán)路中最多能支持16個節(jié)點，總線電纜的長度最多可以擴展到40米。LIN總線是一種基于通用SCI(UART)字節(jié)接口的單線串行通訊協(xié)議。圖2(a)為UN總線API到物理層的結(jié)構(gòu)框圖。而LIN總線的主要特征為：一個主節(jié)的點、多個從節(jié)點的概念，無需總線仲裁；低成本：基于普通UART／SCI接口硬件；自同步，在從節(jié)點中不用晶體振蕩器或陶瓷振蕩器時鐘；保證信號傳輸?shù)难舆t時間；低成本單線實現(xiàn)連接；速度高達20kbps；基于應(yīng)用交互作用的信號：LIN總線的驅(qū)動／接收器規(guī)范遵從IS09141標準。

(2)LIN拓撲結(jié)構(gòu)。LIN采用單主機、多從機模式，一個LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個主機節(jié)點和若干個從機節(jié)點(由于過多節(jié)點將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻抗過低，一個LIN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)不宜超過16)。主機節(jié)點既包括主機任務(wù)也從機節(jié)點卻只包括從機任務(wù)。圖2(b)為LIN拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。主機節(jié)點也可以通過網(wǎng)關(guān)和其他總線如CAN連接。

2．基于LIN總線分布式的實時輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

圖l描述了基于LIN總線的TPMS總體結(jié)構(gòu)。其中，中央控制器的功能主要有三：即，通過LIN總線通知LIN從節(jié)點喚醒相應(yīng)輪胎內(nèi)的發(fā)送模塊；通過LIN總線返回LIN從節(jié)點接收到的輪胎壓力等數(shù)據(jù)；分析、顯示以及聲光報瞽。當LIN從節(jié)點接收到LIN主節(jié)點會向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號，讓其進大工作狀態(tài)。LIN主節(jié)點Master向LIN從節(jié)點發(fā)送獲取命令幀,LIN從節(jié)點把數(shù)據(jù)通過LIN總線反饋給LIN主節(jié)點(主控)。

(1)輪胎內(nèi)壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊與芯片選擇 1)模塊選擇：

由于輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊都放在輪胎內(nèi)，所以對IC的要求特別高．一般有如下要求：工作溫度：-40℃～125℃(短時間內(nèi)達150℃)；低功耗來保持電池壽命；能承受2000G(250km／h)輪胎轉(zhuǎn)動時的離心力；傳感器能保持長期的穩(wěn)定；IC體積小，重量輕；帶有壓力與溫度和電壓檢測。

其中壓力傳感器IC是一款集成了壓力、溫度、電壓檢測傳感器、LF、MCU的IC。而發(fā)送IC是RF發(fā)射芯片系列。

2)芯片選擇及特征

圖3左虛線框內(nèi)為輪胎內(nèi)的壓力傳感器IC和發(fā)送IC。它們是freeseale公司的Mpxy8020A6(或Mpxy8040A)芯片和MC68HC90RF2芯片。Mpxy8020A6它內(nèi)含壓力傳感器、溫度傳感器、電源控制和電池電壓檢測，喚醒功能的定時器(屬表面微機械CMOS加工工藝，SSOP封裝)；而UHF發(fā)送器+MCU(Flash)的MC68HC90RF2內(nèi)含為2kB用戶FLashROM、定時器、集成的射頻(Rn發(fā)送器、低壓檢測和RAM及內(nèi)部時鐘發(fā)生器。整個圖3左虛線框為Mpxy8020A6A與MC68HC90RF2合成的遙測模塊示意圖。圖3右側(cè)MC33591為UHF接收器，它內(nèi)含鎖相環(huán)(PLL)超高頻開關(guān)鍵控(OOK)接收器；MC912DP256接收端控制器內(nèi)含256kB Flash、12kB RAM、4kB EEP ROM、up to 5CAN、1xJ1850、256MHz工作頻率。

當然輪胎內(nèi)的傳感器IC也可以選擇Melexis公司的MLx90603芯片。MLx90603最大的特點是有不同的工作模式Shelfmode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和適合RFID、RF應(yīng)用的TDMArrag Direct Mem．ory Access)mode。這些都為降低發(fā)射端功耗、延長電池使用壽命提供了最大的可能性。在發(fā)射IC方面。Melexis公司有不同頻率和調(diào)制的lC和汽車級IC(1作溫度-40℃～125℃)，如315MHz、433MHz、868MHz和915MHz等ISM band頻段：IC FSK、ASK和FM等不同調(diào)制IC，可在1.85V～5.5V寬電壓范圍內(nèi)工作，并且發(fā)射功率可在－12dBm～+10dBm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

(2)接收模塊與芯片選擇

對于接收模塊處于LIN網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點即中央控制器，見圖1所示。也可選擇MLX82001，該芯片專門為UN總線應(yīng)用設(shè)計的MCU。
 

3．TPMS系統(tǒng)軟件設(shè)計思路

在設(shè)計一個運行穩(wěn)定、功效高的TPMS系統(tǒng)時需要考慮的第一個因素就是軟件。因為車輪模塊通常是用微控制器來執(zhí)行命令的。所以應(yīng)采用一種智能化算法實現(xiàn)預(yù)期的功效。其次，使用低頻功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用低頻接口時，感應(yīng)模塊可以始終處于電源關(guān)閉模式，只有在收到喚醒信號后，傳感器才會進行測量和數(shù)據(jù)傳輸。除了降低功耗以外，低頻接口還具備沒計靈活性和其他一些優(yōu)勢。例如，低頻通訊可使系統(tǒng)通過低頻接口向微控制器發(fā)送特定命令。以對輪胎進行重新校準和定位。在此以MLX90603帶有LF(Low Frequency)接口為例的發(fā)送模塊軟件設(shè)計方案作一說明。MLX90603帶有LF(LowFrequeney)接口。因此可以在大部分時間內(nèi)將發(fā)射端處于休眠模式，需要時通過低頻信號將其喚醒,進而進行測量并通過TH720x發(fā)射芯片將測量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的LIN從節(jié)點。圖4是發(fā)射端的部分流程圖。
 

本方案中，充分利用了MLX90603中集成的TDMA(Tag.Direct Memory Access)模塊．在MLX90603采集完數(shù)據(jù)后，配置TDMA、RF所需的寄存器，即可將MLX90603進入Sleep mode，利用TDMA模塊自動把要發(fā)射的數(shù)據(jù)傳輸給RF，以充分節(jié)省功耗。由于發(fā)射工作在惡劣環(huán)境下，為了保證發(fā)送端和接收端進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到本應(yīng)用信息量小、數(shù)據(jù)簡單的特點，我們采用信息冗余的方法來保證數(shù)據(jù)的可靠接收(即一幀數(shù)據(jù)發(fā)送N次)。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整發(fā)送次數(shù)N。

二、新型發(fā)送器(遙控鑰匙)與接收器中幾種芯片的選用

1．MAX1473接收器與MAX7044發(fā)送器的選用

RF接收器器件(MAX1473)是最新的300MHz至450MHz ASK(振幅變換調(diào)制)射頻接收器(平均靈敏度為-114dBm)，正常工作僅消耗5.5mA(典型值)的電流。內(nèi)置鏡頻抑制，無需通常使用的前端SAW濾波器。睡眠模式時，MAX1473可在小于250ps的時間內(nèi)啟動并發(fā)送數(shù)據(jù)，以保證更深的睡眠周期和更長的電池壽命。MAXl473可工作于3V至5V的電源電壓。

發(fā)送器中的MAX7044器件是可輸出+3dBm ASK信號的發(fā)送器，采用微型的8引腳SOT封裝。采用占空比為50％的編碼方式時(如曼徹斯特碼)，僅需消耗7.7mA的電流。MAX7044可使用電壓低至2.1V的單個鋰電池供電。
2．雙通道接收器同時捕捉兩種信號的MAX1471結(jié)構(gòu)框圖與應(yīng)用

使用MAX1471雙通道接收器(見圖5)同時捕捉兩種信號，即能同時接收ASK和FSK(頻率變換數(shù)據(jù))，模式間切換時間為零。針對同時需要對ASK和FSK解碼的低成本系統(tǒng)設(shè)計，MAX1471雙模接收器還可進行自輪詢，且器件可保持長達8分鐘的睡眠模式，并可喚醒微處理器，以進一步節(jié)省能源。MAX1471內(nèi)置一個可用于3.3V或5V的穩(wěn)壓器，故可工作在2.4V。

從圖中看出MAX1471也可用在汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)中的接收器。