新世紀(jì)伊始，由于凡世通輪胎(Fire-tone)的質(zhì)量問題，大量的爆胎和翻車事故造成了超過100人的死亡和400人的受傷，引起了汽車行業(yè)和美國政府的關(guān)注。大量數(shù)據(jù)表明，對輪胎正確充氣會大大降低爆胎的可能性。為了解決這個問題，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)的研究開始受到重視。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)主要用于汽車行駛時對輪胎氣壓進行實時自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全。目前最流行的PSBTPMS系統(tǒng)(又稱直接系統(tǒng))，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氣壓的，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)視。當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。就TPMS系統(tǒng)構(gòu)造而言，其采集的溫度壓力數(shù)據(jù)需要通過一種無線方式進行發(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。要解決這兩個問題，可以利用Motorola公司研制的發(fā)射芯片MC33493和接收芯片MC33594。該兩款芯片都達到了汽車級溫度(發(fā)射芯片為125℃，接收芯片為105℃)完全可以解決耐高溫的問題，且工作性能極好。它們與單片機一起構(gòu)成的接口電路成為TPMS系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分。
1 TPMS系統(tǒng)總體設(shè)計
1.1系統(tǒng)工作原理
TPMS系統(tǒng)主要由安裝在汽車輪胎內(nèi)的壓力、溫度傳感器，信號處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊，安裝在汽車駕駛臺上的包括數(shù)字信號處理單元的RF接收器以及LCD組成。
一般情況下，一輛轎車需要4個TPMS發(fā)射模塊和1個TPMS接收器；而一輛卡車需要6～12個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)安裝時需要在汽車底盤安裝接收天線。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。
圖1中，溫度壓力傳感器將采集到的溫度壓力數(shù)據(jù)通過I2C總線或RS232接口送到單片機，單片機發(fā)送一使能信號ENABLE給發(fā)射器。當(dāng)為高電平時，發(fā)射機開始工作，產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)時鐘信號給單片機，用于信號的同步。此時，單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給發(fā)射機，發(fā)射機將得到的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去。接收機通過天線接收到信號后，首先置RESET引腳(用于設(shè)置主從模式)為一低電平，此時微控制器為主機，通過MOSI線來設(shè)置作為從機的接收器內(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，而接收器就變?yōu)橹鳈C。它產(chǎn)生時鐘信號，通過MOSI線將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機。此時單片機(帶有SPI接口)通過SPI接口與PC機實現(xiàn)簡單的連接，以達到在PC機上顯示報警的作用。
1．2系統(tǒng)設(shè)計的幾點考慮
①由于TPMS發(fā)射模塊工作在劇烈振動、環(huán)境溫差變化大和不便于即時檢修的條件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和穩(wěn)定性，能適應(yīng)工作在-40～+125℃溫度范圍。為了縮小TPMS發(fā)射模塊的體積、節(jié)省功耗和增強功能，需要盡可能地選用具有多種功能的小型射頻收發(fā)芯片。
②隨著能源問題越來越被重視，系統(tǒng)節(jié)能成為本設(shè)計考慮的一個重點問題。為了提高TPMS發(fā)射模塊在一節(jié)鋰電池下的工作時間，應(yīng)該在大多數(shù)時間內(nèi)讓系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)。喚醒TPMS系統(tǒng)中的發(fā)射部分，可采用這樣一種方法：在傳感器模塊中增加加速度傳感器，利用其對運動的敏感性，實現(xiàn)汽車啟動時自動開機進入系統(tǒng)自檢；汽車高速行駛時按運動速度自動智能確定檢測時間周期，利用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險期，以逐漸縮短巡回檢測周期和提高預(yù)警能力。喚醒TPMS系統(tǒng)的接收部分，可以利用接收機的一個引腳STROBE。在一個周期內(nèi)，當(dāng)檢測到有效的ID時，STROBE置高電平，此時接收芯片就由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)。
2 系統(tǒng)硬件組成及電路設(shè)計
2. 1 TPMS系統(tǒng)主要硬件組成
TPMS系統(tǒng)主要由TPMS傳感器、微控制器和無線射頻收發(fā)模塊幾個部分組成。
(1) TPMS傳感器
TPMS傳感器是一個集成了半導(dǎo)體壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)字信號處理單元和電源管理器的SoC模塊。為了強化胎壓檢測功能，有不少TPMS傳感器模塊內(nèi)還增加了加速度傳感器、電壓檢測、內(nèi)部時鐘、看門狗和帶12位ADC、4KB Flash、2KB ROM、128 B RAM、128 BEEPROM及其他功能的ASIC數(shù)字信號處理單元。這些功能單元使得TPMS傳感器不僅能實時檢測汽車開動中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化，而且還能實現(xiàn)汽車移動即時開機、自動喚醒和省電等功能。
(2)微控制器
這里微控制器采用Atmel公司推出的一種小型單片機89C205l，片內(nèi)含有2KB的Flash程序存儲器和128 B的片內(nèi) RAM。89C2051共20引腳。其中P1口8腳，可以作為一般的準(zhǔn)雙向端口，在引腳的驅(qū)動能力上，具有很強的下拉能力。工作電壓為2.7～6V。當(dāng)工作電壓在3V時，電流相當(dāng)于6V工作時的1／4，空閑時為1mA，掉電時僅為20mA。這樣小的功耗很適合于電池供電的小型控制系統(tǒng)。主要特點為采用Flash存儲器技術(shù)，其軟件、硬件與MCS-5l完全兼容。其片內(nèi)程序的電可擦寫特性，使得開發(fā)與試驗比較容易。
(3)無線射頻發(fā)射芯片MC33493
摩托羅拉的MC33493器件是高溫集成UHF無線電發(fā)送模塊?？蛇M行OOK(On-Off Keying)或者FSK(Frequency Shift Keying)兩種調(diào)制方式。該芯片采用TSSOP-14封裝，工作在300～450 MHz頻段；具有FSK和OOK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強，適合工業(yè)控制應(yīng)用；采用PLL頻率合成技術(shù)，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O.18mW；數(shù)據(jù)速率可達9.6kb／s；1.9～3.6V低工作電壓；功耗低，發(fā)射時電流11.6mA，發(fā)射待機狀態(tài)僅為O.8μA(工作溫度在125℃)。
(4)無線射頻接收芯片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-103dBm。芯片最大的特點是帶有一串行外設(shè)接口SPI(Serial Peripheral Intelface)。通過SPI，它允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進行通信，交換信息。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。
2．2 TPMS系統(tǒng)中的無線接口電路硬件設(shè)計
TPMS系統(tǒng)設(shè)計中較關(guān)鍵的一點是數(shù)據(jù)的傳輸部分。整個數(shù)據(jù)傳輸部分由兩部分組成：一是駕駛室中的無線接收部分，另外一部分是輪胎中的無線發(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)。
(1)無線發(fā)射接口電路設(shè)計
無線發(fā)射電路由發(fā)射芯片MC33493、AT89C2051單片機和電平轉(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)制方式定義為一個信號的兩個不同的頻移值分別表示數(shù)字高、低兩種電平。在這個系統(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來實現(xiàn)。與CFSK引腳相連的有一內(nèi)部開關(guān)，用以選通下拉電容C1。當(dāng)DATA=O時(MODE引腳置高電平)，開關(guān)關(guān)閉，此時輸出高頻移；當(dāng)DATA=1時，開關(guān)接通，此時輸出低頻移，這就實現(xiàn)了FSK調(diào)制方式，也就是說，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，要實現(xiàn)連接就必須進行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)供電為5V，通過電平轉(zhuǎn)換電路為發(fā)射芯片供電。其發(fā)射芯片MC33493通過電平轉(zhuǎn)換芯片與單片機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送。它與89C2051單片機及接收機一起構(gòu)成無線數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)。
(2)無線接收接口電路設(shè)計
無線接收接口電路主要由接收芯片MC33594與AT89C2051單片機構(gòu)成，如圖3所示。接收芯片MC33594通過SPI接接口與單片機AT89C2051的I／O口相連。該電路中，利用AT89C2051單片機的I／O口模擬SPI接口，通過用軟件控制的方式來進行數(shù)據(jù)的傳送；利用并口P1.1來模擬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的從機選擇端RESET。在接收之前，首先置RESET引腳為低電平，使接收機變?yōu)閺臋C，而單片機變?yōu)橹鳈C。單片機通過MOSI信號線將單片機內(nèi)的程序?qū)懭虢邮諜C的配置寄存器里對接收機進行配置，配置好后再置：RESET引腳為高電平。此時單片機變?yōu)閺臋C，而接收機變?yōu)橹鳈C，它產(chǎn)生時鐘信號，同時數(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，經(jīng)變換的信號在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。
為了與MC33594接收機所設(shè)定的SPI工作狀態(tài)在邏輯時序上協(xié)調(diào)一致，要使串行時鐘輸出P1.1的初始狀態(tài)為1，在選通MC33594后，置P1.1為O。此時AT89C2051單片機輸出1位SCK時鐘，同時，使MC33594串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至AT80C2051單片機的P1.3(模擬MCU的MISO線)，再置Pl.1為1，使AT89C2051單片機從P1.O輸出1位數(shù)據(jù)(先為高位)至AT89C2051單片機。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個子程序。MCU串行輸入是從接收機的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單片機中R0寄存器的內(nèi)容傳送到接收機的MOSI線上；串行輸入／輸出將AT89C2051單片機R0寄存器的內(nèi)容傳送到MC33594的MOSI線上，同時從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，這樣數(shù)據(jù)就可以在PC機上進行顯示了。
3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計
3. 1通信協(xié)議
為了實現(xiàn)4個輪胎模塊與中央接收模塊進行無線通信的目的，發(fā)射機和接收機都需要按要求支持一個簡單的通信協(xié)議。數(shù)據(jù)以9600bps的速率傳送，采用FSK調(diào)制時，其發(fā)射方必須采用曼徹斯特編碼方式，只有這樣的碼型接收機才能夠接收。曼徹斯特編碼就是一個數(shù)字信號值在每一個比特位周期內(nèi)作高、低電平之間切換。前半周期低電平后半周期高電平表示數(shù)字O，而先高后低表示數(shù)字1。輪胎模塊以數(shù)據(jù)包(幀)的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)輪胎模塊中的MCU決定要發(fā)送數(shù)據(jù)(由傳感器采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù))時，通過發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)位喚醒接收模塊，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，其數(shù)據(jù)幀格式如下：
①前導(dǎo)位。前同步碼的長度為16位位且總設(shè)置為0xFB86。這樣處理有三個目的：
◇0xF(1111)——Romeo2至少需要4位的前同步碼來喚醒它，并讓它的內(nèi)部電路穩(wěn)定。
◇0xB8(1100 1000)——Rome02中的寄存器2被編程為0xB8，這樣使前同步碼中的0xB8數(shù)據(jù)被驗證并接通數(shù)據(jù)管理器。
◇0x6(0110)——Romeo2中報頭被使能，它指示有實際的數(shù)據(jù)跟隨(以設(shè)備ID開始)。
②設(shè)備ID。設(shè)備ID長度為32位。當(dāng)每一個TPM輪胎模塊MCU(RF2)被刷新，設(shè)備ID被編程地址為0x7800～0x7803。這個lD在實際中有很多用處，比如制造商的信息等；但是在這個演示模塊中，它僅被用來專門表示辨認(rèn)輪胎的信息，所以ID的4個字節(jié)在每一個數(shù)據(jù)幀接收后都要被檢測。如果ID不匹配，數(shù)據(jù)幀就會被忽略。當(dāng)接收機發(fā)現(xiàn)某個ID匹配，它就修改狀態(tài)字節(jié)來指示輪胎的位置。
③壓力值。壓力數(shù)據(jù)占8位，代表測量的輪胎壓力值。
④溫度值。溫度數(shù)據(jù)占8位，代表被測量的輪胎溫度值。
⑤狀態(tài)位。狀態(tài)位長度為8位，用以表示輪胎模塊的電源電壓的變化及對應(yīng)輪胎ID匹配的位，目的是不需要接收機的MCU重復(fù)檢查輪胎ID。
⑥校驗和。校驗和長度為8位，它的內(nèi)容取決于傳輸數(shù)據(jù)，主要是為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。
⑦停止位。停止位的長度為2位，用來指示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。
3. 2輪胎模塊傳輸程序流程
因為輪胎模塊要適應(yīng)長期工作，考慮到輪胎運轉(zhuǎn)的平衡等因素又不能選擇大的電池，因此輪胎模塊傳輸程序的算法選擇不但要保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，同時還要保證最低的電能消耗。
(1)發(fā)射模塊發(fā)射程序流程
關(guān)閉中斷后，進行電源檢測。若壓力差值△1大于存儲在ROM里設(shè)定的最大壓差值△2，則說明輪胎的壓力超限，需要報警。此時為增加接收機接收數(shù)據(jù)的可靠性，連續(xù)發(fā)送255幀。若其△1<△2，只發(fā)送1次數(shù)據(jù)幀。發(fā)射程序流程如圖4所示。
(2)接收模塊接收程序流程
接通電源后，接收機先后自行初始化和配置。一旦確認(rèn)接收機配置完成，所有的LED就閃爍一次告知使用者模塊準(zhǔn)備就緒。在收到一個數(shù)據(jù)幀后，就要重新計算校驗并與已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)幀進行比較。數(shù)據(jù)幀經(jīng)過確認(rèn)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(yīng)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。接收程序流程如圖5所示。
由于每個輪胎模塊要發(fā)送相同格式的數(shù)據(jù)，接收機控制器能在收到全部數(shù)據(jù)幀后中斷，這樣它可以在大部分時間都處于低能耗睡眠狀態(tài)。它還有許多節(jié)能選項，即使汽車停很長時間，也不會消耗完一塊電池。
4 結(jié)論
輪胎壓力和溫度的實時監(jiān)測與報警系統(tǒng)將成為汽車安全系統(tǒng)必備的功能之一。本文中通過對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。此外，也可用于單片機數(shù)據(jù)采集、遙測遙控、監(jiān)測等系統(tǒng)中，如遠(yuǎn)距離無線抄表、無線鑰匙等。