TPMS解決方案中的幾個(gè)關(guān)鍵問題

引 言
在汽車的高速行駛中．輪胎故障是所有駕駛員最為擔(dān)心和最難預(yù)防的，也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國內(nèi)的高速公路上，由爆胎引發(fā)的交通事故占事故總數(shù)的70％；在美國，這一比例更是高達(dá)80％。爆胎造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大，所以在汽車行駛期間，對(duì)輪胎的壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，應(yīng)該成為汽車安全系統(tǒng)必備的功能。
研究表明，確保標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓和及時(shí)發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。于是汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)TPMS(Tire Pressure Monitoring System)應(yīng)運(yùn)而生。TPMS有直接式和間接式兩種，本文提出的是直接式TPMS。歷經(jīng)一年多的時(shí)間，筆者成功地完成了TPMS系統(tǒng)的開發(fā)，并經(jīng)過大量車載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明所開發(fā)的系統(tǒng)工作可靠，能夠達(dá)到安全預(yù)警的目的。下面著重探討和總結(jié)一些關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 汽車輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)解決方案
TPMS包括傳感器、發(fā)射模塊和接收模塊三大部分。傳感器和發(fā)射模塊連接在一起。發(fā)射模塊包括處理器和發(fā)射器；接收模塊包括接收器、處理器和顯示器。原理框圖如圖l所示。

1．1 傳感器
系統(tǒng)選用的是Infineon公司的硅壓阻式壓力傳感器SPl2。它是一個(gè)SoC模塊，內(nèi)部包括壓力傳感器，溫度傳感器，加速度計(jì)，電池電壓榆測，內(nèi)部時(shí)鐘和一個(gè)包含ADC、取樣／保持、SPI口、數(shù)據(jù)管理以及ID碼的數(shù)字信號(hào)處理單元。模塊可以利用客戶專用軟件進(jìn)行配置，其測量精度能達(dá)0．0l％～O．03％Fs(Full Scale，滿量程)。此外，它還具備喚醒瞬態(tài)工作模式，每6s會(huì)產(chǎn)生一個(gè)喚醒脈沖，每50min會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖。

1.2 射頻發(fā)射、接收芯片
系統(tǒng)中，無線射頻發(fā)射部分是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。RF發(fā)射是主要的耗能元件。選擇無線射頻發(fā)射芯片時(shí)，必須考慮功耗、芯片的發(fā)射頻帶寬度及工作的可靠性問題。為此，系統(tǒng)采用了Infineon公司專門為低功耗無線射頻數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的射頻芯片TDK5100F。它具有工作頻帶寬、功耗低、工作環(huán)境溫度范圍寬、數(shù)據(jù)傳輸速度快、工作電壓范圍寬、可工作在FSK和ASK兩種方式及自帶鎖相環(huán)(PLL)等優(yōu)點(diǎn)。另外，系統(tǒng)選用了與TDK5100F芯片配套的無線射頻接收芯片TDA5210。TDA5210具有功耗低、靈敏度高、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 電路示意圖及程序設(shè)計(jì)策略
發(fā)射模塊電路原理框圖如圖2所示。

發(fā)射模塊程序設(shè)計(jì)如下：系統(tǒng)上電完成自檢進(jìn)入正常工作后，微控制器PICl6F54首先發(fā)指令使SPl2測試壓力和溫度值，判斷壓力和溫度是否異常，即溫度是否過高，壓力是否過高或過低。若異常，則立即發(fā)送壓力溫度數(shù)據(jù)幀給接收模塊；若正常，PICl6F54繼續(xù)發(fā)指令使SPl2測輪胎的加速度值(指輪胎旋轉(zhuǎn)的離心加速度。該加速度可用來估計(jì)汽車當(dāng)時(shí)的行駛速度)，以此來設(shè)定測試壓力、溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔(速度高時(shí)檢測適當(dāng)頻繁，反之，檢測適當(dāng)減少)；并且根據(jù)加速度對(duì)速度進(jìn)行分段，保證在速度低的情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔合理變長；在速度高的情況下，合理變短，從而使系統(tǒng)通過軟件設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)低功耗。
接收模塊電路原理框圖如圖3所示。

接收模塊程序設(shè)計(jì)如下：接收芯片TDA52lO接收到從輪胎模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，解調(diào)后通過PDO腳傳送給主控制器P89V51RD2。P89V51RD2通過硬件串口的形式讀取來自TDA5210的一幀數(shù)據(jù)后，先重新計(jì)算校驗(yàn)和以確保接收的數(shù)據(jù)無誤。數(shù)據(jù)幀經(jīng)過確認(rèn)正確后，主控制器對(duì)數(shù)據(jù)幀中的輪胎ID與存儲(chǔ)在P89V51RD2存儲(chǔ)器中的4個(gè)ID值進(jìn)行比較，以此來判斷該幀數(shù)據(jù)來自哪個(gè)輪胎。確定之后，可保存相應(yīng)的溫度和壓力值(包括左前胎、左后胎、右前胎、右后胎)；同時(shí)，P89V51RD2按照一定的時(shí)間間隔(比如3s)循環(huán)顯示4個(gè)輪子的壓力和溫度值，并判斷溫度和壓力值是否正常，以決定是否啟動(dòng)報(bào)警功能。報(bào)警功能包括高壓報(bào)警、低壓報(bào)警、泄漏報(bào)警和高溫報(bào)警。

2 系統(tǒng)開發(fā)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題
2．1 天線的設(shè)計(jì)
天線的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。它直接影響到系統(tǒng)的通信距離、可靠性和穩(wěn)定性。天線設(shè)計(jì)中第一個(gè)重要的參數(shù)是天線的長度――應(yīng)該是所使用波長的1/4，就本系統(tǒng)而言。使用的電磁波的頻率是433．92 MHz，那么波長

所以 0.25λ=17.3cm
第二個(gè)重要參數(shù)是天線的阻抗。阻抗匹配在天線設(shè)計(jì)中異常重要，l／4波長天線的典型阻抗是36Ω。
在滅線的設(shè)計(jì)中，還要考慮導(dǎo)線間的電感、電容，通過對(duì)它們的具體計(jì)算確定元器件的參數(shù)，以最大限度地達(dá)到阻抗匹配的目的。導(dǎo)線電容、電感的具體計(jì)算公式如下：

①相鄰導(dǎo)線間的電容

式中：l為平行線的長度(cm)，s為相鄰導(dǎo)線間距(mm)，l為導(dǎo)線厚度(mm)，w為導(dǎo)線寬度(mm)，εr為基板的相對(duì)介電常數(shù)；所求電容的單位為μF。

②導(dǎo)線電感

式中：l為導(dǎo)線長度(cm)，w為導(dǎo)線寬度(cm)，t為導(dǎo)線厚度(cm)；所求電感的單位為μH。
③平行導(dǎo)線問互感

式中：l為導(dǎo)線長度(cm)，D為兩導(dǎo)線中心距(cm)；所求互感單位為μH。
通過大量的改進(jìn)和測試，天線的傳輸距離在原來12m左右的基礎(chǔ)上改進(jìn)到后來的30 m以上，大大增加了信號(hào)的傳輸距離和傳輸穩(wěn)定性。

2.2 低功耗
由于傳感器電池很難更換，為了保證TPMS發(fā)射模塊在一節(jié)鋰電池下能工作5～7年，系統(tǒng)的低功耗是一個(gè)十分重要的課題，因此只有在大多數(shù)時(shí)間讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，才能省電與延長電池壽命。
本系統(tǒng)選擇了英飛凌公司的SPl2傳感器。利用該傳感器的喚醒瞬態(tài)工作模式(每6s輸出一個(gè)喚醒信號(hào)，每50min輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào))，當(dāng)它工作在睡眠模式時(shí)，電流消耗僅O．6μA／s；另外，在該傳感器模塊中增加了加速度傳感器，利用其質(zhì)量塊對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性可以實(shí)現(xiàn)汽車啟動(dòng)自動(dòng)開機(jī)。當(dāng)檢測到加速度很小時(shí)(表示汽車沒有運(yùn)動(dòng))，讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，可大大降低系統(tǒng)功耗；在汽車開動(dòng)的情況下，可通過判斷加速度的大小，來設(shè)定不同的測試時(shí)間間隔和發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)間間隔。加速度大(即車速高)的時(shí)候測試和發(fā)射數(shù)據(jù)的頻率高，加速度小(即車速低)的時(shí)候頻率低，由此可最大限度地節(jié)約電池?fù)p耗，延長電池的使用壽命。這里值得指出的是，SPl2測得的加速度是輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的離心加速度，輪子轉(zhuǎn)速大，離心力大，離心加速度也大；反之，離心加速度小。根據(jù)換算公式a=ω2r(其中，ω為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；r為發(fā)射模塊相對(duì)于輪軸的距離)，只要知道車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度w就可求得加速度a。

2.3 無線信號(hào)傳輸
TPMS需要著力解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是無線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性問題，特別是高速行駛時(shí)的信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。由于高速行駛及丁作環(huán)境比較惡劣，而且汽車內(nèi)電子產(chǎn)品豐富，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)漂移及時(shí)有時(shí)無的情況；另外在使用手機(jī)、汽車音響等產(chǎn)品時(shí)，信號(hào)相互會(huì)有干擾，信號(hào)的穩(wěn)定性會(huì)受到影響，因此，屏蔽和抗干擾等問題就顯得尤為重要。
為此，在選擇無線信號(hào)傳輸收／發(fā)模塊時(shí)使用了芯片組TDK5100F和TDA5210；同時(shí)，為提高數(shù)據(jù)抗干擾能力，采用Mailchest編碼和FSK(Frequency-Shift Keying頻移鍵控)方式進(jìn)行無線傳輸，再利用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRCCCITT)對(duì)無線信號(hào)傳輸質(zhì)量進(jìn)行檢查控制，進(jìn)一步保證了無線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

3 系統(tǒng)性能分析
筆者用人工模擬的方法對(duì)高壓、低壓、高溫、漏氣以及SPl2的加速度功能進(jìn)行了測試：壓力和溫度的顯示精度達(dá)到國內(nèi)外已有產(chǎn)品的要求；報(bào)警及時(shí)、準(zhǔn)確。整體效果較好。
通信方面，經(jīng)過幾次對(duì)天線的改進(jìn)，通信距離已經(jīng)達(dá)到30m以上，在周內(nèi)外同類產(chǎn)品中占據(jù)領(lǐng)先地位。另外，把測試系統(tǒng)裝入汽車進(jìn)行了現(xiàn)場測試，一方面，系統(tǒng)克服了各種強(qiáng)大的干擾，通信可以順利進(jìn)行；另一方面能實(shí)時(shí)反映輪胎的氣壓和溫度狀況。

結(jié)語
在實(shí)際開發(fā)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種直接式TPMS的解決方案，介紹了系統(tǒng)的工作原理；通過計(jì)算導(dǎo)線電容、電感，改進(jìn)了天線效果；通過充分利用SPl2的加速度檢測功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)；通過采用FSK方式、Manchest編碼和CRC校驗(yàn)改善了無線信號(hào)傳輸。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：系統(tǒng)功能較好，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。