1、前言

　　輪胎壓力監測系統(TPMS -TIre pressure monitoring system)對于提高汽車(chē)安全性有舉足輕重的影響，當今世界己有不少?lài)腋咚俟钒踩珔f(xié)會(huì )因此立法強制實(shí)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(cháng)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(gè)要求進(jìn)行。

      1.1目前TPMS主要有三種實(shí)現方式。

　　直接TPMS系統、間接TPMS系統和正在推出的混合TPMS。但是，間接TPMS有一定的局限性，采用間接方法進(jìn)行檢測在很大程度上依賴(lài)于輪胎和負載因子。直接TPMS采用固定在每個(gè)車(chē)輪中的壓力傳感器直接測量每個(gè)輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會(huì )通過(guò)發(fā)送器將胎壓數據發(fā)送到中央接收器進(jìn)行分析，分析結果將被傳送至安裝在車(chē)內的顯示器上。顯示器的類(lèi)型和當今大多數車(chē)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，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機哪個(gè)輪胎充氣不足。直接TPMS也可檢測到較小的壓降。有些系統甚至可以檢測到 7kPa--1.0psi的壓降。為滿(mǎn)足多輪壓力檢測要求，由于系統安裝了直接氣壓傳感器，混合TPMS能夠克服常規直接TPMS的局限性，它們能夠檢測到在同一個(gè)車(chē)軸或車(chē)輛同一側的兩個(gè)處于低壓狀態(tài)的輪胎，當所有4個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統也可以檢測到故障。

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

　　這就意味著(zhù)，MCU、傳感器和射頻發(fā)射器都被封裝在一起。與現有的產(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。除減少組件數量外，它還可以降低系統總體成本，因為板卡設計更加簡(jiǎn)單，尺寸更小。而另外一項重要的設計挑戰來(lái)自于無(wú)線(xiàn)控制，第一代TPMS發(fā)送器的設計采用SAW共振器的ASK調制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生適當的發(fā)射頻率。該 ASK系統雖然非常廉價(jià)，但卻容易受到由于車(chē)輪(發(fā)送器安裝在其上)旋轉所導致的接收場(chǎng)強變化的影響。出于這一原因，現在的TPMS都采用基于晶體振蕩器的FSK調制方法和PLL合成器來(lái)產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。

      值此本文將以基于LIN總線(xiàn)分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監測系統的方案為例作分析，并對用于TPMS新型芯片作介紹。

2、基于LIN總線(xiàn)分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監測系統的設計方案

　　為實(shí)現長(cháng)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。也就是說(shuō)TPMS面臨的主要問(wèn)題是在有限的能源下能有較長(cháng)的使用壽命?？梢酝ㄟ^(guò)采用低功耗的壓力傳感器、分析測量所得數據并結合車(chē)輛實(shí)際情況(熄火或運行)來(lái)改變監控系統的工作方式及高效的數據采集控制算法等方法來(lái)降低整個(gè)系統的功耗。

      由于將研討LIN總線(xiàn)應用于TPMS，并用MCU、RF和傳感器實(shí)現TPMS見(jiàn)圖1直接式基于LIN總線(xiàn)的TPMS方案示意圖。而實(shí)用 TPMS示意的輪胎氣壓監測系統，是由與輪胎閥一體的4個(gè)訊號發(fā)射器、收訊天線(xiàn)、收訊器及訊號顯示儀四類(lèi)部件組成的。為此有必要先對汽車(chē)應用的LIN總線(xiàn)有關(guān)技術(shù)作介紹。

      2.1關(guān)于汽車(chē)應用的LIN總線(xiàn)技術(shù)

      2.11LIN總線(xiàn)LIN總線(xiàn)的主要特征為API到物理層的結構

　　針對汽車(chē)應用的LIN 1.0(本地互連網(wǎng)絡(luò ))和LIN 2.0總線(xiàn)系統，它的目標是低成本應用，除了TPMS外還有電動(dòng)門(mén)、電動(dòng)窗、側鏡、雨刮器、座椅安全帶報警、外部照明等。LIN總線(xiàn)的傳輸速度最大為 20kbps，而且它在單通道總線(xiàn)環(huán)路中最多能支持16個(gè)節點(diǎn)，總線(xiàn)電纜的長(cháng)度最多可以擴展到40米。LIN足一種基于通用SCI(UART)字節接口的單線(xiàn)串行通訊為協(xié)議。圖2(a)框圖所示為L(cháng)IN總線(xiàn)API到物理層的結構。而LIN總線(xiàn)的主要特征為：—個(gè)主節點(diǎn)、多個(gè)從節點(diǎn)的概念，無(wú)需總線(xiàn)仲裁;低成本：基于普通UART/SCI接口硬件;自同步，在從節點(diǎn)中不用晶體振蕩器或陶瓷振蕩器時(shí)鐘;保證信號傳輸的延遲時(shí)間;低成本單線(xiàn)實(shí)現連接;速度高達 20kbps;基于應用交互作用的信號;LIN總線(xiàn)的驅動(dòng)/接收器規范遵從IS09141標準。

　　2.12LIN拓撲結構

　　LIN采用單主機多從機模式，一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )包括一個(gè)主機節點(diǎn)和若干個(gè)從機節點(diǎn)。(由于過(guò)多節點(diǎn)將導致網(wǎng)絡(luò )阻抗過(guò)低，一個(gè)L1N網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)總數不宜超過(guò)16。)主機節點(diǎn)既包括主機任務(wù)也包括從機任務(wù)，從機節點(diǎn)都只包括從機任務(wù)，如圖2(b)為L(cháng)IN拓撲結構示意圖。主機節點(diǎn)也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和其他總線(xiàn)如CAN連接。

      2.2 于LIN總線(xiàn)分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監測系統的系統設計

　　圖1描述了基于L1N總線(xiàn)的TPMS總體結構，其中中央控制器的功能主要有三：通過(guò)LIN總線(xiàn)通知LIN從節點(diǎn)喚醒相應輪胎內的發(fā)送模塊;通過(guò)LIN總線(xiàn)返回LIN從節點(diǎn)接收到的輪胎壓力等數據;分析、顯示已及聲光報警。當LIN從節點(diǎn)接收到LIN 主節點(diǎn)發(fā)出的喚醒命令時(shí)，該節點(diǎn)會(huì )向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號，讓其進(jìn)入工作狀態(tài)。LIN主節點(diǎn)Master向LIN從節點(diǎn)發(fā)送獲取命令幀，LIN從節點(diǎn)把數據通過(guò)LIN總線(xiàn)反饋給LIN主節點(diǎn)(主控)。

      2.21輪胎內壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊與芯片選擇

　　*輪胎內的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊

　　由于輪胎內的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊都放在輪胎內，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(shí)間內達150℃;低功耗來(lái)保持電池壽命;能承受2000G(250kmh輪胎轉動(dòng)時(shí)的離心力;傳感器能保持長(cháng)期的穩定;IC體積少，重量輕;帶有壓力與溫度和電壓檢測。圖3左虛線(xiàn)框是基于輪胎內的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊示意結構圖。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(xiàn)框為輪胎內的壓力傳感器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(shí)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內含為2K用戶(hù)FLash ROM，定時(shí)器，集成的射頻(RF)發(fā)送器，低電壓檢測和RAM及內部時(shí)鐘發(fā)生器。則整個(gè)圖3左虛線(xiàn)框為Mpxy8020A6A與MC68HC90RF2 合成的遙測模塊示意圖。其圖3右側MC33591為UHF接收器內含鎖相環(huán)(PLL)超高頻開(kāi)關(guān)鍵控(00K)接收器;MC912DP256 接收端控制器內含256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作須頻率。

       當然輪胎內的傳感器IC也可以選擇Melexis公司的MLX90603芯片。MLX90603它內部有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。最大的特點(diǎn)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(cháng)電池使用壽命提供了最大的可能性。在發(fā)射IC方面，Melexis有不同頻率和調制的IC和汽車(chē)級IC(工作溫度-40℃-125℃)，如315MHz，433MHz，868MHz和915MHz等ISM band頻段，IC FSK，ASK和FM等不同調制IC，可在1.85V-5.5V寬電壓范圍內工作，并且發(fā)射功率可在-12dBm--+10dBm范圍內調節。

      2.22接收模塊與芯片選擇

　　其圖3右側MC33591為UHF接收器內含鎖相環(huán)(PLL)超高頻開(kāi)關(guān)鍵控(00K)接收器;MC912DP256接收端控制器內含 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(luò )的主節點(diǎn)即中央控制器，見(jiàn)圖1所示。也可選擇MLX82001 ， 該芯片是一個(gè)6位的、集成了LIN2.0并帶有增強型UART的MCU;從節點(diǎn)可選擇MLX81100集成了雙任務(wù)CPU和LIN收發(fā)器，是專(zhuān)門(mén)為L(cháng)IN 總線(xiàn)應用設計的MCU。

      2.3 TPMS系統軟件設計考慮

　　在設計一個(gè)運行穩定、功效高的系統時(shí)，需要考慮的第一個(gè)因素就是軟件。因為車(chē)輪模塊通常是用微控制器來(lái)執行命令的，所以應采用一種智能化算法實(shí)現預期的功效。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(shí)，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(huì )進(jìn)行測量和數據傳輸。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，低頻通訊可使系統通過(guò)低頻接口向微控制器發(fā)送特定命令，以對輪胎進(jìn)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(shuō)明。MLX90603帶有LF(Low Frequency)接口，因此可以在大部分時(shí)間內將發(fā)射端處于休眠模式，需要時(shí)通過(guò)低頻信號將其喚醒，進(jìn)而進(jìn)行測量并通過(guò)TH720x發(fā)射芯片將測量得到的數據發(fā)送給相應的LIN從節點(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采集完數據后，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)射的數據傳輸給RF，以充分節省功耗。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(jìn)行可靠的數據傳輸，考慮到本應用信息量小、數據簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，我們采用信息冗余的方法來(lái)保證數據的可靠接收，即一幀數據發(fā)送N次。根據采集到的數據動(dòng)態(tài)調整發(fā)送次數N。

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)，MAXl473可在小于250ps的時(shí)間內啟動(dòng)并發(fā)送數據，保證了更深的睡眠周期和更長(cháng)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+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(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。

      RF接收器器件 MAXl473是最新的300MHz至450MHzASK(振幅變換調制)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)，MAXl473可在小于250ps的時(shí)間內啟動(dòng)并發(fā)送數據，保證了更深的睡眠周期和更長(cháng)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(diǎn)是能將你的RKE系統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(chē)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(diǎn)是能將你的RKE系統有效距離擴大一倍(即控制范圍超過(guò)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(chē)報警。

      3.2雙通道接收器同時(shí)捕捉兩種信號的MAX1471結構方框與應用

　　使用MAXl471雙通道接收器同時(shí)捕捉兩種信號，即能同時(shí)接收ASK和FSK(頻率變換數據)，模式間切換時(shí)間為零。針對同時(shí)需要對 ASK和FSK解碼的低成本系統設計，MAXl471雙模接收器還可進(jìn)行自輪詢(xún)，器件可保持長(cháng)達8分鐘的睡眠模式，并可喚醒微處理器，以進(jìn)一步節省能源。 MAXl47l工作于300MHz至450MHz，包括內置的42dB(兆型值)鏡頻抑制混頻器，不需常見(jiàn)的SAW濾波器。MAXl471內置一個(gè)可用于 3.3V或5V的穩壓器，可在低至2.4V的電壓下工作。圖5為MAX1471結構方框與應用示意圖，從圖中表看出MAX1471也可用于汽車(chē)輪胎壓力監視系統中接收器。

4、結束語(yǔ)

　　上述新型系信統與芯片的分析介紹，采用分布式結構的TPMS，其特點(diǎn)是，控制靈活，比較適合應用于前裝市場(chǎng)。而將LIN總線(xiàn)應用于TPMS的優(yōu)勢是為每個(gè)輪胎跟接收器比較接近，因此會(huì )大大節省每個(gè)發(fā)射器的功率，延長(cháng)系統的使用壽命。