基于MPXY8020传感器的TPMS系统设计分析.docx

基于MPXY8020传感器的TPMS系统设计分析随着全球汽车电子产业的兴起和人们对汽车平安的信息化、智能化的不断追求，汽车胎压监测系统TPMS成为继平安气囊和ABS之后的又一新兴汽车平安产业迅速开展。目前出现的TPMS主要分为间接式和直接式。间接式TPMS使用ABS轮胎速度传感器来测量每一个轮胎的转速，进而判定轮胎压力，该系统固然具有不用电池、耐用性强等优点，但准确性、可靠性差。直接式TPMS系统主要用于汽车行驶时，可以适时地对轮胎气压进展自动监测，对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压导致爆胎进展预警，确保行车平安，因此逐渐成为市场主流。本文主要介绍基于MPXY8020传感器的直接式TPMS系统设计，并对直接式TPMS的设计难点进展分析。TPMS系统框图及系统工作原理TPMS系统由数个发射模块和一个接收模块组成。图1为发射模块框图，该发射模块安装在轮胎内，通过压力温度传感器可以测量该轮胎内气体的压力和温度，发射端中央处理器负责数据处理，并将发射机ID号、压力、温度等信息组帧后经曼彻斯特编码送到RF发射电路，最后由RF电路将数据FSK/ASK调制后通过发射天线发射出去。整个发射模块由一只电池供电。图1发射模块图2为接收模块框图，该接收模块安装在驾驶室前端可以方便驾驶员看到的位置。RF接收电路通过接收天线接收发射模块的无线信号，并将接收到的信号解调、解码后送给接收端中央处理器，中央处理器处理数据后根据ID号将各个轮胎的压力/温度值显示在显示器相应的位置上，使驾驶员可以随时理解每个轮胎的压力温度信息，确保行车平安，如轮胎发生异常时接收模块会自动及时向驾驶员发出警报。接收模块可以用车载电源或者电池。align=center图2接收模块/align基于MPXY8020传感器的发射模块设计TPMS系统中发射模块的设计采用摩托罗拉的MPXY8020和68HC908RF2，前者为电容式压力和温度传感芯片，后者为MCU和RF发射电路集成芯片。发射模块硬件电路设计MPXY8020是专用于TPMS系统的多功能、低功耗的传感芯片，其内部除了压力和温度传感电路外，还具有内部唤醒功能的数字接口电路，如图3。8020传感器与MCU的接口有6个端口：S1和S2是8020的工作形式控制端口，根据MCU对这2个端口的逻辑状态控制不同，8020可以分别工作在低功耗的待机形式、压力测量形式、温度测量形式及测量数据输出形式；DATA和CLK为软件控制的串行接口，进展测量数据的传输；OUT端口为复用端口，8020在待机形式下，可以每3s内部自唤醒并通过OUT端口以中断方式唤醒MCU。当8020在测量数据输出形式时，OUT作为内部比拟器的逻辑状态输出；RST具有52min复位MCU的功能。align=center图3发射电路/align值得留意的是，8020传感器的A/D转换是逐次逼近型的反应式转换器，其原理是8020内部具有8位移位存放器，MCU通过8020的DATA和CLK端口首先输入10000000二进制数据，将8位存放器D/A转换的模拟量与压力或者温度的真实测量值进展比拟，并判定OUT端口的状态，假如OUT端口为低，讲明逼近值大于真实值，此时可以确定真实值最高位为0；假如OUT端口为高，讲明逼近值小于真实值，此时可以确定真实值最高位为1。依次类推从高位向低位可以逐次逐位逼近真实测量值，这样MCU可以确定最终的压力和温度测量值。68HC908RF2内部高性能8位处理器主要负责与传感器的数据传输、数据分析处理及与RF发射电路的数据传输与控制。在图3发射电路中，PTA1和PTA2作为输出端口控制8020的工作形式；PTA3和PTA4作为输出向8020移位输入测量逼近值；PTA5是复用端，当MCU读取传感器的测量值时，PTA5通过OUT获取比拟器的状态，当MCU在省电形式时PTA5作为键盘中断输入端口，通过OUT获得3s中断。另外，S1是速度开关，当汽车运行或者停顿时S1开关可以导通或者闭合，这样MCU就可以根据车辆运行状态对程序作有效处理。68HC908RF2内部还集成一个多频带工作的FSK/OOK调制电路，其工作方式由数字控制端BAND和MODE的逻辑状态决定。BAND为工作频带选择端口，将BAND置高，并选择晶体振荡器Y1为13.56MHz，此时经过32倍频后产生载波频率为434MHz的RF信号。MODE为FSK/OOK调制形式选择端口，将MODE置高，RF电路工作于FSK形式。68HC908RF2虽将MCU和RF电路集成于一体，但其接口电路仍需要外部连接，如图3示。PTB1作为输出控制RF电路的使能端ENABLE；PTB2和PTB3作为串行口与RF电路的RFDATA和DATACLK相连，经过曼彻斯特编码后的压力温度等信息，以二进制数据流的方式传输给发射电路，发射电路再以FSK方式进展发射。其FSK工作原理较为简单，当RFDATA输入“1或者“0时，引起CFSK的输出阻抗的变化，进而切换晶体振荡器Y1的两个负载电容C1和C2，负载电容的改变使晶体振荡器的谐振频率发生很小的偏移，这样经过倍频后FSK信号就可以产生。发射模块固件程序设计发射模块的固件程序从功能上来看较为简单，但从系统的可靠性、使用寿命等方面来考虑，对程序设计的平安性、经济性、有效性等提出很高的要求。十分是依靠1块500mAh的锂电池TPMS发射机要工作8年以上，除了优秀的硬件设计外，固件程序对发射模块的各个电路进展经济、有效的控制显得尤为重要。图4为简单的程序流程图，考虑省电的问题，整个发射模块一般时间都处于省电形式。当MPXY80203s中断唤醒MCU后，MCU立即控制8020进展压力温度检测并获得压力温度测量值，MCU再对测量数据进展判定，看轮胎压力及温度是否处于正常状态：假如胎压、温度正常，再判定定时发送数据的时间，假如定时时间没有到就进入省电形式，定时时间到，那么进展组帧、曼彻斯特编码、发送RF数据，最后再进入省电形式。相反，假如胎压、温度异常就直接进入发送数据的程序。align=center图4发射流程图/align接收模块设计本系统接收机采用摩托罗拉的接收芯片MC33594和中央处理器68HC908GT16，显示器采用液晶显示屏。接收模块硬件电路设计MC33594是一个具有自动增益控制的高灵敏度的OOK/FSK解调芯片，内部包括混频、中频放大、锁相环、解调、数据治理及SPI接口等电路。MCU可以通过SPI接口对MC33594的内部存放器进展配置，进而设置该接收芯片的调制类型、数据接收码速率、RF载波频率等信息。图5为TPMS接收电路，MC33594通过接收天线接收发射机发射的RF信号，将RF信号解调后通过SPI接口以中断方式传输给68HC908GT16MCU，MCU负责处理数据、显示数据，并在必要时启动报警电路。align=center图5接收电路/align接收模块固件程序设计接收程序与发射程序类似，固然功能简单，但从可靠性来看，十分当一个接收机要同时接收4个发射机甚至更多发射机的数据时，接收程序处理数据的有效性、及时性显得更为重要。图6为接收机程序流程图，考虑接收数据的有效性，我们设计SPI中断方式接收数据，收到数据帧后MCU解析出发射机的ID号、压力值、温度值等信息，再判定该发射机的ID与本接收机内存储的ID是否一致，假如不一致，那么丢弃该组数据并进入省电状态。假如ID一致，那么处理数据并根据ID显示相应轮胎的压力温度数据，在压力或者温度超出正常范围时能及时、准确地报警。align=center图6接收流程图/align无线通讯及协议TPMS系统无线通讯的设计关乎整个系统数据传输的可靠性，接收芯片MC33594提供了灵敏的软硬件通讯资源。通过软件对MC33594的内部存放器CR1、CR2、CR3进展编程，设定本TPMS系统的载波频率为434MHz，无线数据传输速率为9600bps。发射模块与接收模块的数据传输采用固定帧长，格式为：帧头2字节+发射机ID4字节+压力数据1字节+温度数据1字节+状态信息1字节+校验1字节+帧尾1字节。其中帧头包含同步头、预设的ID信息用于RF信号识别、报头标志为二进制曼彻斯特编码0110，同步头用于唤醒MC33594的内部电路，并通过PLL锁定RF载波频率；预设的ID信息用于识别系统信息的匹配；假如预设的ID信息匹配，那么启动数据治理器，再判定报头是否到达，收到报头后正式接收数据。TPMS系统设计中的难点分析信号可靠性要求TPMS是一个测量胎压、温度等，涉及平安信息的无线收发系统，其信号可靠性是设计中始终要考虑的问题。该信号可靠性包括两个方面：数据接收率和误码率。数据接收率是指接收机能否可靠地收到发射机发射的每一帧数据，不仅涉及接收机的灵敏度和发射机的发射功率，还有一个重要的影响因素：当发射机装入轮胎而接收机放入车内时，车体本身相当于一个屏蔽盒，对信号的衰减相当大，再加上多个发射机的数据冲突及四周环境的干扰等，导致系统的数据接收率较低。误码率是指发射机发射的信号在传输途中由于外界环境干扰致使接收机收到错误的数据信息，导致系统可靠性降低。在基于MPXY8020的TPMS设计中，我们采用高增益的发射天线及匹配电路使发射功率到达理想的设计要求，十分在接收端除了匹配电路设计外，一方面，根据汽车上无线电传输途径的研究分析，采用双天线的接收形式；另一方面，根据多发射机发射信号的随机性和冲突性，采用时差间隙发送数据的方式进展发射，并在接收软件的设计中采用中断接收循环处理的接收形式，这样TPMS信号接收率可高达98%以上。另外在软件设计中对传输数据采用多种校验方式相结合的方法，使系统的误码率大为降低。当然，频繁的发射数据可以增加接收机接收数据的几率，进而进步系统可靠性，但这样会大大降低电池的使用寿命。环境要求TPMS作为汽车上应用的产品，其环境适应方面要求相当严酷，十分是发射机，除了温度范围宽以外，还要到达防水、防盐雾、抗振动、抗冲击、电磁兼容等众多要求。这样对原材料提出很高的要求，比方电池的工作温度必须到达-40125；发射机外壳必须采用高强度、高韧性、耐上下温的材料等。TPMS发射机的消费工艺也要求很高，比方采用密封、灌胶等工艺，还要在消费经过中设计众多的环境试验。关键元器件之一的电池，采用TADIRAN的TLH2450电池，到达温度的设计要求；结合发射机外壳的环境要求和基于对各种塑料材料的特性分析，采用尼龙、玻纤等合成材料设计发射机外壳，到达了抗振动、抗冲击、耐上下温等设计要求；另外，对发射机的制作采用灌胶密封的方式，即使将发射机全部浸没水中，也可以正常发射数据。体积重量要求TPMS发射模块要装入轮胎内，那么体积不能过大，太大会给轮胎安装、拆卸造成很大的问题；其次，发射模块的重量要很轻，否那么会对轮胎的动平衡产生影响。因此在TPMS的设计中，对发射模块的体积和重量都作了严格的限制，到达了体积小、重量轻的设计要求。使用寿命要求TPMS的使用寿命一般要到达810年，这对仅靠一只500mAh的电池电池容量过大会增加发射模块的体积和重量维持工作的发射机的设计确实是不小的难题。除了硬件电路的设计功耗要极小以外，TPMS发射机的固件设计相当重要，在保证系统可靠性要求的前提下，发射机的传感器测量次数、RF数据发射次数都要作严格控制。因此，设计者往往要在系统可靠性及寿命要求的矛盾中作优化。在基于8020传感器的TPMS设计中，考虑到发射机以3s中断唤醒MCU的方式进展工作，其发射模块大多时间都在省电状态，因此对省电状态的功耗设计到达0.6uA以下，另外在电池极端寿命的实验下基于对发射机发射次数的统计，理论计算该TPMS系统的寿命高达10年以上。直接式TPMS系统在产品化设计中面临众多难点。作为汽车平安产品，应更多关注其系统的失效分析。随着TPMS技术的不断开展，新的TPMS技术方案集成度越来越高，十分是将传感器、MCU、发射电路集成于一体后，不但发射模块的体积更小、重量更轻，其性能、功能等都有很大的进步，如增加了LF、LVD、加速度测试等功能，甚至通过CAN总线使TPMS系统与整车电子系统相连，进而实现信息分享。0