智能傳感器的TPMS系統(tǒng)設計

Word文檔智能傳感器的TPMS系統(tǒng)設計

目前供應TPMS配套方案的半導體廠商許多，芯片廠商主要包括飛思卡爾(Freescale)、英飛凌(SensoNor)、GE(NovaSensor)、Atmel、Maxim、東芝、NXP、Omron、MelxiS、RFMonilithi等公司。其中GE、飛思卡爾和英飛凌公司具有從胎壓傳感器、RF放射及接收器，到MCU的完整產(chǎn)品線，其他半導體公司主要供應從胎壓傳感器、RF、到MCU的若干配套方案。

從20世紀90年月開頭，GE公司通用NovaSensor就供應壓力傳感器及TPMS系統(tǒng)方案。2021年其NPX系列壓力傳感器開頭供貨，NPXI芯片整合了壓力、溫度傳感器及8位RISCMCU，NPXII與NPXI相比較又整合了慣性感應器；2021年推出的NPXIII除具有以上功能外，更把RF放射電路整合一體，成為單芯片方案。NPX系列芯片由于性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定，被世界一流汽車配套廠商廣泛采納。本文介紹基于GE公司NPXI芯片的TPMS系統(tǒng)設計方案及實現(xiàn)方法。

1直接式TPMS設計

直接式TPMS系統(tǒng)框圖如圖1所示。一般來說，TPMS系統(tǒng)需要4個放射模塊和1個接收模塊。4個放射模塊都需要與接收模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，因此如何使它們之間的通信工作協(xié)調、有序地進行，成為設計中需要留意的問題。

對于GE公司供應的方案，溫度和壓力傳感器、A／D轉換器及8位的MCU都整合進NPX系列芯片之中，使得數(shù)據(jù)采集與傳輸中的通信設計大大簡化。對于NPXI和NPXII芯片，只需要協(xié)作合適的射頻發(fā)送電路，就可以實現(xiàn)發(fā)送模塊的全部功能。如圖l(b)所示，TPMS系統(tǒng)的接收模塊包括解調電路、接收處理、顯示及掌握接口4部分。解調電路將接收的射頻信號放大解調后，將數(shù)字信號送給微處理器串行接口；微處理器再進行譯碼，從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎的位置、溫度和壓力值，然后做出相應的處理，如更新顯示、聲光報警等。

1．1接收模塊硬件設計

TPMS系統(tǒng)的接收模塊主要由天線、射頻接收電路、主控芯片MCU以及鍵盤、顯示器組成，用于接收各放射模塊傳送的輪胎溫度與壓力數(shù)據(jù)，顯示各輪胎的ID識別碼和測量數(shù)據(jù)，并在特別狀況發(fā)生時聲光報警。由于接收模塊安裝在汽車車廂內(nèi)，故對器件選用的各方面要求不高，工業(yè)級即可。

RF接收芯片選用時要求接收靈敏度較高，這里選用Maxim公司的MAXl473芯片。MAXl473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差接收器，具有一114～OdBm的輸入信號范圍、高于50dB的鏡像載波抑制，用于接收300～450MHz頻率范圍的幅度鍵控(ASK)數(shù)據(jù)信號特別抱負。這款芯片在關斷模式下電流消耗低于2．5μA，接收模式下電流消耗為5．2mA，可接收高達100kbps的數(shù)據(jù)速率。使用MAXl473芯片實現(xiàn)的315MHz的射頻接收電路如圖4所示。

SiliconLabs公司的C8051F4l0單片機是真正能單獨工作的片上系統(tǒng)。該芯片具有片內(nèi)上電復位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，F(xiàn)lash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程力量，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新固件。片內(nèi)SiliconLabs二線(C2)開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速的在系統(tǒng)調試。調試規(guī)律支持觀看和修改存儲器及寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調試時，全部的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行；并且2個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調試功能不占用封裝引腳。

1．2發(fā)送模塊硬件設計

GE公司始終致力于TPMS傳感器產(chǎn)品的開發(fā)，其產(chǎn)品NPXI芯片集成了壓力傳感器、溫度傳感器及1個8位RISC微處理器。NPXI芯片具有4KB的用戶可編程空間、4KB的定制ROM，以及一個2D的LF輸入級。各類傳感器的信號經(jīng)12位ADC轉換后，供應給用戶和系統(tǒng)進行進一步的處理。在4KB的定制ROM中，固化了GE公司特有的壓力、溫度和電壓測量、補償和校準程序，以及其他有用的子程序，用戶可省去繁復的運算編程，只需簡潔調用即可獲得需要的狀態(tài)值。在開發(fā)階段，GE公司可以供應可編程版本的傳感器，用戶可以通過仿真器編程器將程序下載到器件的4KB用戶可編程空間中。下載程序之后的傳感器可以直接運行使用，或者通過仿真器進行實時仿真單步調試。調試環(huán)境與一般的單片機特別相像?？蛻舸笈可a(chǎn)版本的傳感器可以通過掩膜ROM工藝生產(chǎn)，以進一步降低成本。

2軟件實現(xiàn)與仿真試驗

2．1數(shù)據(jù)傳輸格式

為實現(xiàn)系統(tǒng)輪胎模塊和接收模塊之間牢靠的無線通信，放射機和接收機之問必需以肯定的協(xié)議進行通信。放射模塊中的MCU發(fā)送數(shù)據(jù)時以數(shù)據(jù)幀方式進行，通過數(shù)據(jù)幀的前導位喚醒接收模塊，其幀格式如下：

其中，前導位的作用是喚醒接收器和指示有實際的數(shù)據(jù)跟隨；輪胎ID用來識別和確定輪胎位置；壓力值和溫度值傳送實際的測量值；狀態(tài)位指示當前的系統(tǒng)狀態(tài)；校驗和用來驗證數(shù)據(jù)正確性；停止位指示數(shù)據(jù)幀的結束。

2．2軟件設計

由于發(fā)送模塊的設計要考慮節(jié)電功能，所以模塊平常處于休眠狀態(tài)，當接收到加速度喚醒信號時進行測量并傳輸數(shù)據(jù)，其程序流程如圖6所示。接收模塊的程序流程如圖7