基于ADAS的無(wú)線接口電路設(shè)計(jì) —電路圖天天讀（39）

　　汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）主要用于汽車(chē)行駛時(shí)對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車(chē)安全。目前最流行的 PSBTPMS系統(tǒng)，是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎氣壓的，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)視。當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。就TPMS系統(tǒng)構(gòu)造而言，其采集的溫度壓力數(shù)據(jù)需要通過(guò)一種無(wú)線方式進(jìn)行發(fā)送和接收，而且該收發(fā)電路要安裝在輪胎里。這就必須要求其組成電路的芯片能夠耐高溫。要解決這兩個(gè)問(wèn)題，可以利用Motorola公司研制的發(fā)射芯片MC33493和接收芯片MC33594。該兩款芯片都達(dá)到了汽車(chē)級(jí)溫度完全可以解決耐高溫的問(wèn)題，且工作性能極好。它們與單片機(jī)一起構(gòu)成的接口電路成為T(mén)PMS系統(tǒng)中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分。

　　TPMS系統(tǒng)主要由安裝在汽車(chē)輪胎內(nèi)的壓力、溫度傳感器，信號(hào)處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊，安裝在汽車(chē)駕駛臺(tái)上的包括數(shù)字信號(hào)處理單元的RF接收器以及LCD組成。一般情況下，一輛轎車(chē)需要4個(gè)TPMS發(fā)射模塊和1個(gè)TPMS接收器；而一輛卡車(chē)需要6～12個(gè)TPMS發(fā)射模塊。為了提高系統(tǒng)的接收能力和抗干擾能力，系統(tǒng)安裝時(shí)需要在汽車(chē)底盤(pán)安裝接收天線。由SP12傳感器、微控制器、MC33493發(fā)射模塊、MC33594接收模塊等主要芯片組成的TPMS系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　溫度壓力傳感器將采集到的溫度壓力數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線或RS232接口送到單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送一使能信號(hào)ENABLE給發(fā)射器。當(dāng)為高電平時(shí)，發(fā)射機(jī)開(kāi)始工作，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)給單片機(jī)，用于信號(hào)的同步。此時(shí)，單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)射出去。接收機(jī)通過(guò)天線接收到信號(hào)后，首先置RESET引腳為一低電平，此時(shí)微控制器為主機(jī)，通過(guò)MOSI線來(lái)設(shè)置作為從機(jī)的接收器內(nèi)的寄存器，設(shè)置好以后置RESET腳為高電平。此后微控制器為從機(jī)，而接收器就變?yōu)橹鳈C(jī)。它產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)MOSI線將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。此時(shí)單片機(jī)通過(guò)SPI接口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的連接，以達(dá)到在PC機(jī)上顯示報(bào)警的作用。

　　無(wú)線射頻接收芯片MC33594

　　摩托羅拉的MC33594器件是高溫集成UHF超外差無(wú)線電接收模塊。該芯片采用LQFP-24封裝，工作頻率在300～450MHz頻段，電壓在4.5～5.5V范圍內(nèi)；接收靈敏度高達(dá)-103dBm。芯片最大的特點(diǎn)是帶有一串行外設(shè)接口SPI（Serial Peripheral Intelface）。通過(guò)SPI，它允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信，交換信息。SPI接口使用四條線：串行時(shí)鐘線（SCK），主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO，主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線RESET。

　　TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較關(guān)鍵的一點(diǎn)是數(shù)據(jù)的傳輸部分。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸部分由兩部分組成：一是駕駛室中的無(wú)線接收部分，另外一部分是輪胎中的無(wú)線發(fā)射部分。這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、穩(wěn)定性，將是系統(tǒng)優(yōu)良性能的重要體現(xiàn)。

　　無(wú)線發(fā)射電路由發(fā)射芯片MC33493、AT89C2051單片機(jī)和電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，如圖2所示。發(fā)射模塊中，引腳3（BAND引腳）接3V高電平，表示系統(tǒng)發(fā)射頻率為434MHz，用于選擇工作頻率；引腳 14（MODE引腳）接高電平，表示系統(tǒng)選擇FSK調(diào)制模式。FSK調(diào)制方式定義為一個(gè)信號(hào)的兩個(gè)不同的頻移值分別表示數(shù)字高、低兩種電平。在這個(gè)系統(tǒng)中，低頻移表示數(shù)字高電平，高頻移表示數(shù)字低電平。發(fā)射芯片的FSK調(diào)制方式由與晶振串聯(lián)的下拉負(fù)載電容C1來(lái)實(shí)現(xiàn)。與CFSK引腳相連的有一內(nèi)部開(kāi)關(guān)，用以選通下拉電容C1。當(dāng)DATA=O時(shí)（MODE引腳置高電平），開(kāi)關(guān)關(guān)閉，此時(shí)輸出高頻移；當(dāng)DATA=1時(shí)，開(kāi)關(guān)接通，此時(shí)輸出低頻移，這就實(shí)現(xiàn)了 FSK調(diào)制方式，也就是說(shuō)，如果載波頻率是433.92MHz而且總的頻偏是士△f（MHz），則數(shù)字高電平表示為433.92MHz-△f，數(shù)字低電平表示為433.92 MHz+△f。

　　由于MC33493工作電平最大為3V，而微控制器89C2051工作電平最大為5V，要實(shí)現(xiàn)連接就必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)供電為5V，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路為發(fā)射芯片供電。其發(fā)射芯片MC33493通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送。它與89C2051單片機(jī)及接收機(jī)一起構(gòu)成無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)。

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　　無(wú)線接收接口電路設(shè)計(jì)

　　無(wú)線接收接口電路主要由接收芯片MC33594與AT89C2051單片機(jī)構(gòu)成，如圖3所示。接收芯片MC33594通過(guò)SPI接接口與單片機(jī)AT89C2051的I／O口相連。該電路中，利用AT89C2051單片機(jī)的I／O口模擬SPI接口，通過(guò)用軟件控制的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。

　　利用并口P1.1來(lái)模擬SPI的SCK輸出端，P1.2模擬MCU的數(shù)據(jù)輸出端（MOSI），P1.3模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端（MISO），P1.4模擬 SPI的從機(jī)選擇端RESET。在接收之前，首先置RESET引腳為低電平，使接收機(jī)變?yōu)閺臋C(jī)，而單片機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī)。單片機(jī)通過(guò)MOSI信號(hào)線將單片機(jī)內(nèi)的程序?qū)懭虢邮諜C(jī)的配置寄存器里對(duì)接收機(jī)進(jìn)行配置，配置好后再置：RESET引腳為高電平。此時(shí)單片機(jī)變?yōu)閺臋C(jī)，而接收機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī)，它產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)數(shù)據(jù)由RFIN端接入，經(jīng)低噪聲放大器放大后送入混頻器，使其變換成中頻。在中頻級(jí)，經(jīng)變換的信號(hào)在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。

　　為了與MC33594接收機(jī)所設(shè)定的SPI工作狀態(tài)在邏輯時(shí)序上協(xié)調(diào)一致，要使串行時(shí)鐘輸出P1.1的初始狀態(tài)為1，在選通MC33594后，置P1.1為O。此時(shí)AT89C2051單片機(jī)輸出1位SCK時(shí)鐘，同時(shí)，使MC33594串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至AT80C2051單片機(jī)的P1.3（模擬MCU的MISO線），再置Pl.1為1，使AT89C2051單片機(jī)從P1.O輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至AT89C2051單片機(jī)。至此模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出完成。以后再置P1.1為0，模擬下一位的輸入輸出。依此循環(huán)8次，可完成1次通過(guò)SPI傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。其程序包括MCU串行輸入、串行輸出和串行輸入／輸出3個(gè)子程序。MCU串行輸入是從接收機(jī)的MISO線上接收8位數(shù)據(jù)并放入寄存器R0中；串行輸出是將AT80C51單片機(jī)中R0寄存器的內(nèi)容傳送到接收機(jī)的MOSI線上；串行輸入／輸出將AT89C2051單片機(jī)R0寄存器的內(nèi)容傳送到MC33594的MOSI線上，同時(shí)從MC33594的MISO線上接收8位數(shù)據(jù)。由MOSI引腳將接收到的數(shù)據(jù)送入到單片機(jī)，這樣數(shù)據(jù)就可以在PC機(jī)上進(jìn)行顯示了。

電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點(diǎn)評(píng)分析：

　　輪胎壓力和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)將成為汽車(chē)安全系統(tǒng)必備的功能之一。本文中通過(guò)對(duì)Motorola發(fā)射芯片MC33493、接收芯片MC33594以及微控制器芯片AT89C2051等器件的應(yīng)用，得出一套較為完整的TPMS的原理和設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在低功耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，也可用于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、遙測(cè)遙控、監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)中，如遠(yuǎn)距離無(wú)線抄表、無(wú)線鑰匙等。鑒此，針對(duì)系統(tǒng)的安全性、可靠性以及低功耗方面還有什么改進(jìn)的技術(shù)問(wèn)題，小編很期待您的高見(jiàn)。

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