直接式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的設計

美國汽車工程師協(xié)會的調查統(tǒng)計表明，美國每年有26萬起交通事故是由于汽車輪胎氣壓低或滲漏造成的，美國運輸部國家公路交通安全管理委員會（NHTSA）制定的法規(guī)中規(guī)定：2003年11月到2006年10月31日期間，美國新出廠的輕型汽車將逐步引入胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）?？梢?，TPMS的研究和投產(chǎn)勢在必行。

胎壓的常用測試方法

目前，胎壓監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩種類型：一種是Wheel-Speed Based TPMS（WSB TPMS，簡稱間接式TPMS），另一種是Pressure-Sensor Based TPMS（PSB TPMS，簡稱直接式TPMS）

1 WSB TPMS

間接式氣壓監(jiān)測的工作原理是:當某輪胎的氣壓降低時，該輪的滾動半徑將變小，導致其轉速比其他車輪快。通過比較輪胎之間的轉速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的。間接式輪胎報警系統(tǒng)實際上是依靠計算輪胎滾動半徑來對氣壓進行監(jiān)測。

a）數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊

b）數(shù)據(jù)接收、控制模塊

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 PSB TPMS

直接式氣壓檢測裝置是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行監(jiān)視及顯示，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。本系統(tǒng)采用直接式氣壓檢測方式。
依據(jù)上述工作原理，本系統(tǒng)包括5個模塊：4個用于輪胎內的監(jiān)視模塊和一個用于車內的接收模塊。監(jiān)視模塊又包括傳感器和發(fā)射模塊。

TPMS的硬件電路設計

1 系統(tǒng)整體設計

TPMS采用了無線雙向通信方式對汽車輪胎的壓力和溫度進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。TPMS模塊通常在一節(jié)鋰電池下工作，工作時間為5～10年，因此節(jié)能是一個十分重要的課題，系統(tǒng)要求所選用的傳感器等芯片必須是低功耗的。

輪胎監(jiān)測模塊嵌入到輪胎內部，主要用來監(jiān)測輪胎內部的氣壓和溫度狀況，并通過無線調制方式發(fā)送到主機顯示模塊，故輪胎監(jiān)測模塊主要包含傳感器、微控制器、UHF發(fā)射器以及供電電池。

2 測壓、測溫傳感器的選取

根據(jù)上述要求，選用GE公司的NPXⅡ（NPX-C01780）傳感器。NPXⅡ集成了硅壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低功耗8位RISC處理器以及一個低頻喚醒輸入級，滿足了系統(tǒng)各方面的性能要求。

此外，NPXⅡ的電源管理能夠使功耗最小化，待機靜態(tài)電流極低；并利用加速度傳感器靈活改進控制和測量流程，進一步節(jié)省能耗。NPXⅡ還具有極佳的輪胎介質兼容性，可監(jiān)測450/700/900/1400kPa多種壓力范圍，并可定制量程。

3 TPMS發(fā)射接口電路設計

發(fā)射接口電路如圖2所示。無線電發(fā)送模塊MC33493可進行OOK或FSK兩種調制，工作在300～450MHz頻段，采用PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好，具有較小的發(fā)射功率，最大發(fā)射功率達  0.18mW。其數(shù)據(jù)速率可達9.6Kb/s，工作電壓為1.9～3.6V,功耗低，發(fā)射時電流為11.6mA，待機狀態(tài)電流僅為0.8μA(工作溫度在125℃)。

圖2 發(fā)射接口電路

4 TPMS接收接口電路設計

接收接口電路如圖3所示，MC33594是高溫集成UHF超高頻無線電接收模塊。該芯片的工作頻率為300～450MHz，電壓在4.5～5.5V范圍內；接收靈敏度高達-103dBm。其最大的特點是帶有一串行外設接口（SPI）。通過SPI，它允許微控制器與各種外圍接口器件以串行方式進行通信。SPI接口使用四條線:串行時鐘線（SCK），主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MISO，主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機選擇線RESET。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)接收接口電路

TPMS軟件流程

圖4給出了接收模塊的接收程序流程圖，接通電源后，接收機先后進行初始化和配置。一旦確認接收機配置完成，所有的LED就閃爍一次告知使用者模塊準備就緒。在收到一個數(shù)據(jù)幀后，就要重新計算校驗并與己經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)幀進行比較。數(shù)據(jù)幀經(jīng)過確認后，某個輪胎和ID則要與存儲在KX8存儲器中的4個ID值比較。如果發(fā)現(xiàn)一個相配的ID，則數(shù)據(jù)就被處理并點亮相應的LED。最后，數(shù)據(jù)幀通過串行口發(fā)送出去以供外部數(shù)據(jù)接收和存儲。

圖4 接收模塊流程圖

結論

本系統(tǒng)結構設計合理緊湊，成本低廉。監(jiān)視模塊可以工作在-40～125℃的溫度范圍，0～450kPa的壓力范圍。采用FSK調制傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，靈敏度優(yōu)于-100dbm。系統(tǒng)具有輪胎氣壓過高預警功能、欠壓預警功能、漏氣預警功能和溫升過快預警等功能。經(jīng)過現(xiàn)場測試，各項指標均符合NHTSA制定的基本要求，運行狀況良好。