用于輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)與芯片應用特征

1、前言

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS -Tire pressure monitoring system)對于提高汽車安全性有舉足輕重的影響，當今世界己有不少國家高速公路安全協(xié)會因此立法強制實施TPMS。而低功耗、在惡劣環(huán)境下高度運行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限，以及更長的工作壽命等是TPMS的主要要求，于是方案的設計和芯片的選擇也圍繞這個要求進行。

1.1目前TPMS主要有三種實現(xiàn)方式。

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，采用間接方法進行檢測在很大程度上依賴于輪胎和負載因子。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)送到中央接收器進行分析，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，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機哪個輪胎充氣不足。直接TPMS也可檢測到較小的壓降。有些系統(tǒng)甚至可以檢測到 7kPa--1.0psi的壓降。為滿足多輪壓力檢測要求，由于系統(tǒng)安裝了直接氣壓傳感器，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。

1.2下一代新型系統(tǒng)，就是將集成車輪模塊所需的感應功能和發(fā)射功能。

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315/433/868/915MHz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，因為板卡設計更加簡單，尺寸更小。而另外一項重要的設計挑戰(zhàn)來自于無線控制，第一代TPMS發(fā)送器的設計采用SAW共振器的ASK調(diào)制技術(shù)來產(chǎn)生適當?shù)陌l(fā)射頻率。該 ASK系統(tǒng)雖然非常廉價，但卻容易受到由于車輪(發(fā)送器安裝在其上)旋轉(zhuǎn)所導致的接收場強變化的影響。出于這一原因，現(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。

值此本文將以基于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新型芯片作介紹。

2、基于LIN總線分布式實時輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案

為實現(xiàn)長期(≥10年)使用壽命這一目標，必須使用低功耗集成化部件。電源管理因此成為首要的挑戰(zhàn)。也就是說TPMS面臨的主要問題是在有限的能源下能有較長的使用壽命。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。

由于將研討LIN總線應用于TPMS，并用MCU、RF和傳感器實現(xiàn)TPMS見圖1直接式基于LIN總線的TPMS方案示意圖。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四類部件組成的。為此有必要先對汽車應用的LIN總線有關(guān)技術(shù)作介紹。

2.1關(guān)于汽車應用的LIN總線技術(shù)

2.11LIN總線LIN總線的主要特征為API到物理層的結(jié)構(gòu)

針對汽車應用的LIN 1.0(本地互連網(wǎng)絡)和LIN 2.0總線系統(tǒng)，它的目標是低成本應用，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足一種基于通用SCI(UART)字節(jié)接口的單線串行通訊為協(xié)議。圖2(a)框圖所示為LIN總線API到物理層的結(jié)構(gòu)。而LIN總線的主要特征為：—個主節(jié)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。

2.12LIN拓撲結(jié)構(gòu)

LIN采用單主機多從機模式，一個LIN網(wǎng)絡包括一個主機節(jié)點和若干個從機節(jié)點。(由于過多節(jié)點將導致網(wǎng)絡阻抗過低，一個L1N網(wǎng)絡中節(jié)點總數(shù)不宜超過16。)主機節(jié)點既包括主機任務也包括從機任務，從機節(jié)點都只包括從機任務，如圖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。

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2.2 于LIN總線分布式實時輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)設計

圖1描述了基于L1N總線的TPMS總體結(jié)構(gòu)，其中中央控制器的功能主要有三：通過LIN總線通知LIN從節(jié)點喚醒相應輪胎內(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、顯示已及聲光報警。當LIN從節(jié)點接收到LIN 主節(jié)點發(fā)出的喚醒命令時，該節(jié)點會向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號，讓其進入工作狀態(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)。

2.21輪胎內(nèi)壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊與芯片選擇

*輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊

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(250kmh輪胎轉(zhuǎn)動時的離心力;傳感器能保持長期的穩(wěn)定;IC體積少，重量輕;帶有壓力與溫度和電壓檢測。圖3左虛線框是基于輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊示意結(jié)構(gòu)圖。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。

*壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊芯片選擇及特征

圖3左虛線框為輪胎內(nèi)的壓力傳感器IC和發(fā)送IC為freescale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2K用戶FLash ROM，定時器，集成的射頻(RF)發(fā)送器，低電壓檢測和RAM及內(nèi)部時鐘發(fā)生器。則整個圖3左虛線框為Mpxy8020A6A與MC68HC90RF2 合成的遙測模塊示意圖。其圖3右側(cè)MC33591為UHF接收器內(nèi)含鎖相環(huán)(PLL)超高頻開關(guān)鍵控(00K)接收器;MC912DP256 接收端控制器內(nèi)含256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作須頻率。

當然輪胎內(nèi)的傳感器IC也可以選擇Melexis公司的MLX90603芯片。MLX90603它內(nèi)部有16bit RISCMCU，8K byte Flash，256 byte RAM和128 byte EEPROM。MLX90603還有125KHz或13.56MHz LFinterface和壓力傳感器的補償接口(sensor interface)在IC內(nèi)。最大的特點是它有不同的工作模式Shelf mode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和適合RFID、RF應用的TDMA(Tag Direct Memory 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有不同頻率和調(diào)制的IC和汽車級IC(工作溫度-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)。

2.22接收模塊與芯片選擇

其圖3右側(cè)MC33591為UHF接收器內(nèi)含鎖相環(huán)(PLL)超高頻開關(guān)鍵控(00K)接收器;MC912DP256接收端控制器內(nèi)含 256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作須頻率。當然對于接收模塊處于LIN網(wǎng)絡的主節(jié)點即中央控制器，見圖1所示。也可選擇MLX82001 ， 該芯片是一個6位的、集成了LIN2.0并帶有增強型UART的MCU;從節(jié)點可選擇MLX81100集成了雙任務CPU和LIN收發(fā)器，是專門為LIN 總線應用設計的MCU。

2.3 TPMS系統(tǒng)軟件設計考慮

在設計一個運行穩(wěn)定、功效高的系統(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，所以應采用一種智能化算法實現(xiàn)預期的功效。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，低頻接口還具備設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。值此以MLX90603帶有LF(Low Frequency)接口為例的發(fā)送模塊軟件設計方案作一說明。MLX90603帶有LF(Low Frequency)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)射端工作在惡劣環(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，考慮到本應用信息量小、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。

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3、新型送器(遙控鑰匙)與接收器中幾種芯片的選用

3.1MAXl473接收器與MAX7044發(fā)送器的選用

而RF接收器器件 MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK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，MAXl473可在小于250ps的時間內(nèi)啟動并發(fā)送數(shù)據(jù)，保證了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。

而發(fā)送器中的MAX7044器件是可輸出+3dBmASK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。

而RF接收器器件 MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK(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，MAXl473可在小于250ps的時間內(nèi)啟動并發(fā)送數(shù)據(jù)，保證了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。該300MHz至450MHz發(fā)送器和接收器的最大優(yōu)點是能將你的RKE系統(tǒng)有效距離擴大一倍理想應用子電池供電設備，包括鑰匙，汽車報警和胎壓檢測。

該300MHz至450MHz發(fā)送器和接收器的最大優(yōu)點是能將你的RKE系統(tǒng)有效距離擴大一倍(即控制范圍超過兩倍)是理想應用于電池供電設備，胎壓檢測的選擇也包括鑰匙，汽車報警。

3.2雙通道接收器同時捕捉兩種信號的MAX1471結(jié)構(gòu)方框與應用

使用MAXl471雙通道接收器同時捕捉兩種信號，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)設計，MAXl471雙模接收器還可進行自輪詢，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。 MAXl47l工作于300MHz至450MHz，包括內(nèi)置的42dB(兆型值)鏡頻抑制混頻器，不需常見的SAW濾波器。MAXl471內(nèi)置一個可用于 3.3V或5V的穩(wěn)壓器，可在低至2.4V的電壓下工作。圖5為MAX1471結(jié)構(gòu)方框與應用示意圖，從圖中表看出MAX1471也可用于汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)中接收器。

4、結(jié)束語

上述新型系信統(tǒng)與芯片的分析介紹，采用分布式結(jié)構(gòu)的TPMS，其特點是，控制靈活，比較適合應用于前裝市場。而將LIN總線應用于TPMS的優(yōu)勢是為每個輪胎跟接收器比較接近，因此會大大節(jié)省每個發(fā)射器的功率，延長系統(tǒng)的使用壽命。