汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用芯片

汽車輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用芯片

當(dāng)今世界已有不少國(guó)家高速公路安全協(xié)會(huì)立法強(qiáng)制實(shí)施，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TPMS(Trie pressuremonitoring system)，對(duì)于提高汽車安全性帶有舉足輕重的影響，而其低功耗、惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長(zhǎng)的工作壽命等是TPMS的重點(diǎn)要求，因此其方案的設(shè)計(jì)和芯片選擇也圍繞這些要求進(jìn)行。

目前TPMS主要有三種實(shí)現(xiàn)方式，即直接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。直接TPMS采用固定在每個(gè)車輪中的壓力傳感器直接測(cè)量每個(gè)輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會(huì)通過(guò)發(fā)送器將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央微處理器進(jìn)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(dāng)今大多數(shù)車輛上裝配的簡(jiǎn)單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個(gè)輪胎的實(shí)際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直包括從機(jī)任務(wù)，接TPMS可以連接至顯示器。告訴司機(jī)哪個(gè)輪胎充氣不足，并可檢測(cè)到較小的氣壓降。為滿足多輪胎壓力檢測(cè)要求，由于系統(tǒng)安裝了直接氣壓傳感器，則混合TPMS能夠克服常規(guī)直接TPMS的局限性，它們能夠檢測(cè)到在同一個(gè)車軸或車輛同一側(cè)的兩個(gè)處于低壓狀態(tài)的輪胎．當(dāng)所有4個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)也可以檢測(cè)到故障。

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315／433／868／91．5MHz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?yàn)榘蹇ㄔO(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，尺寸更小。而另外一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)來(lái)自于無(wú)線控制，第一代TPMS發(fā)送器的設(shè)計(jì)采用SAW共振器的ASK調(diào)制技術(shù)來(lái)產(chǎn)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的喚醒命令時(shí)．該生適當(dāng)?shù)陌l(fā)射頻率。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(lái)產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。

本文以基于LIN總線分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案為例作分析，并對(duì)用于TPMS的新型芯片作介紹。

一、 基于LIN總線分布式的實(shí)時(shí)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期(≥10年)便用壽命這一目標(biāo)，必須使用低功耗集成化部件，且其電源成為首要的挑戰(zhàn)(在有限的能源下能有較長(zhǎng)的使用壽命)。這些都可以通過(guò)采用低功耗的壓力傳感器、分析測(cè)量所得數(shù)據(jù)并結(jié)合車輛實(shí)際情況(熄火或運(yùn)行)來(lái)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(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

用MCU、RF和傳感器實(shí)現(xiàn)直接式TPMS系統(tǒng)，其基于LIN總線的TPMS方案示意圖見(jiàn)圖1。

而實(shí)用TPMS示意的輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是由與輪胎閥一體的4個(gè)訊號(hào)發(fā)射器、收訊天線、收訊器及訊號(hào)顯示儀組成的。為此有必要先對(duì)汽車應(yīng)用的LIN總線有關(guān)技術(shù)作介紹。

1．關(guān)于汽車應(yīng)用的LIN總線技術(shù)

(1)LIN總線的主要特征。針對(duì)汽車應(yīng)用的LIN1.0(本地互連網(wǎng)絡(luò))和LIN2.0總線系統(tǒng)，它的目標(biāo)是低成本應(yīng)用。除了TPMS外，還有電動(dòng)門、電動(dòng)窗、側(cè)鏡、雨刮器、座椅安全帶報(bào)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(gè)節(jié)點(diǎn)，總線電纜的長(zhǎng)度最多可以擴(kuò)展到40米。LIN總線是一種基于通用SCI(UART)字節(jié)接口的單線串行通訊協(xié)議。圖2(a)為UN總線API到物理層的結(jié)構(gòu)框圖。而LIN總線的主要特征為：一個(gè)主節(jié)的點(diǎn)、多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的概念，無(wú)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(diǎn)中不用晶體振蕩器或陶瓷振蕩器時(shí)鐘；保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間；低成本單線實(shí)現(xiàn)連接；速度高達(dá)20kbps；基于應(yīng)用交互作用的信號(hào)：LIN總線的驅(qū)動(dòng)／接收器規(guī)范遵從IS09141標(biāo)準(zhǔn)。

(2)LIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LIN采用單主機(jī)、多從機(jī)模式，一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)(由于過(guò)多節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻抗過(guò)低，一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)不宜超過(guò)16)。主機(jī)節(jié)點(diǎn)既包括主機(jī)任務(wù)也從機(jī)節(jié)點(diǎn)卻只包括從機(jī)任務(wù)。圖2(b)為L(zhǎng)IN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。主機(jī)節(jié)點(diǎn)也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和其他總線如CAN連接。

2．基于LIN總線分布式的實(shí)時(shí)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖l描述了基于LIN總線的TPMS總體結(jié)構(gòu)。其中，中央控制器的功能主要有三：即，通過(guò)LIN總線通知LIN從節(jié)點(diǎn)喚醒相應(yīng)輪胎內(nèi)的發(fā)送模塊；通過(guò)LIN總線返回LIN從節(jié)點(diǎn)接收到的輪胎壓力等數(shù)據(jù)；分析、顯示以及聲光報(bào)瞽。當(dāng)LIN從節(jié)點(diǎn)接收到LIN主節(jié)點(diǎn)會(huì)向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號(hào)，讓其進(jìn)大工作狀態(tài)。LIN主節(jié)點(diǎn)Master向LIN從節(jié)點(diǎn)發(fā)送獲取命令幀,LIN從節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)通過(guò)LIN總線反饋給LIN主節(jié)點(diǎn)(主控)。

(1)輪胎內(nèi)壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊與芯片選擇 1)模塊選擇：

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(duì)IC的要求特別高．一般有如下要求：工作溫度：-40℃～125℃(短時(shí)間內(nèi)達(dá)150℃)；低功耗來(lái)保持電池壽命；能承受2000G(250km／h)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力；傳感器能保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定；IC體積小，重量輕；帶有壓力與溫度和電壓檢測(cè)。

其中壓力傳感器IC是一款集成了壓力、溫度、電壓檢測(cè)傳感器、LF、MCU的IC。而發(fā)送IC是RF發(fā)射芯片系列。

2)芯片選擇及特征

圖3左虛線框內(nèi)為輪胎內(nèi)的壓力傳感器IC和發(fā)送IC。它們是freeseale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(cè)，喚醒功能的定時(shí)器(屬表面微機(jī)械CMOS加工工藝，SSOP封裝)；而UHF發(fā)送器+MCU(Flash)的MC68HC90RF2內(nèi)含為2kB用戶FLashROM、定時(shí)器、集成的射頻(Rn發(fā)送器、低壓檢測(cè)和RAM及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。整個(gè)圖3左虛線框?yàn)镸pxy8020A6A與MC68HC90RF2合成的遙測(cè)模塊示意圖。圖3右側(cè)MC33591為UHF接收器，它內(nèi)含鎖相環(huán)(PLL)超高頻開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)接收器；MC912DP256接收端控制器內(nèi)含256kB Flash、12kB RAM、4kB EEP ROM、up to 5CAN、1xJ1850、256MHz工作頻率。

當(dāng)然輪胎內(nèi)的傳感器IC也可以選擇Melexis公司的MLx90603芯片。MLx90603最大的特點(diǎn)是有不同的工作模式Shelfmode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和適合RFID、RF應(yīng)用的TDMArrag Direct Mem．ory Access)mode。這些都為降低發(fā)射端功耗、延長(zhǎng)電池使用壽命提供了最大的可能性。在發(fā)射IC方面。Melexis公司有不同頻率和調(diào)制的lC和汽車級(jí)IC(1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)接收模塊與芯片選擇

對(duì)于接收模塊處于LIN網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)即中央控制器，見(jiàn)圖1所示。也可選擇MLX82001，該芯片專門為UN總線應(yīng)用設(shè)計(jì)的MCU。
 

3．TPMS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路

在設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、功效高的TPMS系統(tǒng)時(shí)需要考慮的第一個(gè)因素就是軟件。因?yàn)檐囕喣K通常是用微控制器來(lái)執(zhí)行命令的。所以應(yīng)采用一種智能化算法實(shí)現(xiàn)預(yù)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(shí)，感應(yīng)模塊可以始終處于電源關(guān)閉模式，只有在收到喚醒信號(hào)后，傳感器才會(huì)進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。除了降低功耗以外，低頻接口還具備沒(méi)計(jì)靈活性和其他一些優(yōu)勢(shì)。例如，低頻通訊可使系統(tǒng)通過(guò)低頻接口向微控制器發(fā)送特定命令。以對(duì)輪胎進(jìn)行重新校準(zhǔn)和定位。在此以MLX90603帶有LF(Low Frequency)接口為例的發(fā)送模塊軟件設(shè)計(jì)方案作一說(shuō)明。MLX90603帶有LF(LowFrequeney)接口。因此可以在大部分時(shí)間內(nèi)將發(fā)射端處于休眠模式，需要時(shí)通過(guò)低頻信號(hào)將其喚醒,進(jìn)而進(jìn)行測(cè)量并通過(guò)TH720x發(fā)射芯片將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的LIN從節(jié)點(diǎn)。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(jìn)入Sleep mode，利用TDMA模塊自動(dòng)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)射工作在惡劣環(huán)境下，為了保證發(fā)送端和接收端進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。考慮到本應(yīng)用信息量小、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，我們采用信息冗余的方法來(lái)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(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送次數(shù)N。

二、新型發(fā)送器(遙控鑰匙)與接收器中幾種芯片的選用

1．MAX1473接收器與MAX7044發(fā)送器的選用

RF接收器器件(MAX1473)是最新的300MHz至450MHz ASK(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(wú)需通常使用的前端SAW濾波器。睡眠模式時(shí)，MAX1473可在小于250ps的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并發(fā)送數(shù)據(jù)，以保證更深的睡眠周期和更長(zhǎng)的電池壽命。MAXl473可工作于3V至5V的電源電壓。

發(fā)送器中的MAX7044器件是可輸出+3dBm ASK信號(hào)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(shí)(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(gè)鋰電池供電。
2．雙通道接收器同時(shí)捕捉兩種信號(hào)的MAX1471結(jié)構(gòu)框圖與應(yīng)用

使用MAX1471雙通道接收器(見(jiàn)圖5)同時(shí)捕捉兩種信號(hào)，即能同時(shí)接收ASK和FSK(頻率變換數(shù)據(jù))，模式間切換時(shí)間為零。針對(duì)同時(shí)需要對(duì)ASK和FSK解碼的低成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，MAX1471雙模接收器還可進(jìn)行自輪詢，且器件可保持長(zhǎng)達(dá)8分鐘的睡眠模式，并可喚醒微處理器，以進(jìn)一步節(jié)省能源。MAX1471內(nèi)置一個(gè)可用于3.3V或5V的穩(wěn)壓器，故可工作在2.4V。

從圖中看出MAX1471也可用在汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)中的接收器。