汽车轮胎压力监测系统中无线数据传输的设计与实现.pdf

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1、汔车轮胎压力监测系统中无线数据传输的设计与实现陈余，袁涛(清华大学自动化系，北京1 0 0 0 8 4)摘要：阐述了汽车轮胎压力直接监测系统设计中的无线数据传输问题。由于I I l f i n e o n 公司的无线发射芯片T D K 5 l l O 和接收芯片T D A 5 2 1 0 在数据传输的抗干扰方面的一些优良性能，设计的硬件电路选用了此两种芯片，并给出了设计的电路图及其实现流程。该设计系统能够实时有效地监测轮胎内的压力温度，避免了由于轮胎压力问题而发生事故的可能。关键词：轮胎压力监测T P M S 无线传输当前，针对汽车安全的轮胎压力监测系统T P M S(T i r eP r e

2、 s s u r eM o n i t o r i n gS y s t e m)正逐步走向市场，成为汽车里面的标准配置，为保护驾车人以及行人的生命安全发挥着不可替代的作用。在主动式的T P M S 中，需要把监测到的压力、温度等数据实时地传到控制台去。压力监测模块通常是安装在气门嘴上或者是利用紧箍扣安装在轮毂上，故这两种安装方式监测到的数据都只有通过无线通信才能传输到驾驶室内的接收装置，以便及时提醒驾驶员注意轮胎压力的变化，避免可能发生的事故。在T P M S 实际使用过程中，不可能频繁地拆卸轮胎来为发射模块更换电池，故需要做到压力监测模块与轮胎同寿命。这就对发射模块的功耗提出了很苛刻的要求

3、，既要求具有尽可能大的发射功率，能够把信号及时准确地传输到接收端；又要求发射时所需要的能量尽可能的小，少消耗电池的能量，相应地延长发射模块的使用寿命。这样，就要求在实际的设计中尽可能地选择发射效率高的芯片，并且外围接口电路越少越好，多方面地综合降低系统的功耗。由于轮胎内恶劣的运行环境，给信号的发射和接收都带来许多困难，这对芯片的功耗、温度等参数要求很高。目前市场上能够提供此类无线发射、接收芯片的厂家主要有M A X I M、A T M E L、I 瓶n e o n、f r e e s c a l e 等公司，根据实际的使用需要，综合考虑几类产品在功耗、抗干扰等方面的因素，本设计选择I I l

4、f i n e o n 公司的发射芯片T D K 5 1 1 0 和接收芯片7 r D A 5 2 1 0，传感器芯片选择I 蕊n e o n公司的S P l 2。1 发射芯片电路设计单片A S K F S K 发射芯片T D K 5 1 1 0 的工作频段为4 3 3 M H z 4 3 5 M H z，此为I S M(I n d u s t r i a lS c i e n t i f i cM e d i c a lB a I l d)频段。T D 飚1 1 0 内部集成了P L L，且具有一个高效的功率放大器来驱动发射天线，芯片的工作温度范围为一4 0 1 2 5，电源电压范围为2 1

5、 4 V 2 ，完全满足汽车轮胎上要求的温度及电压范围。T D K 5 1 1 0 提供了A S K 和F S K 两种数据调制方式。A S K 非常容易受到噪声干扰，F S K 在抗干扰方面要优于A S K，而轮胎所处的特殊运行环境，受到的干扰很多。所以本设计采用F S K 的数据调制方式。T D K 5 1 1 0 的芯片内部主要包含发射功率放大器(P A)、晶体振荡器(0 S C)、压控振荡器(V C O)、相位检波(P D)电路、分频器、回路滤波器(L F)、F S K 开关等 2】。芯片的外围设备元器件较少，有利于系统成本的降低，也方便了系统的参数设置与调试。本设计中发射芯片的中心频

6、率为4 3 4 M H z，采用1 3 5 6 M H z 的外接晶振，通过锁相环3 2 倍频得到4 3 4 M H z。发射天线的选择既可以是单端天线，也可以是P C B 印制天线，由于轮胎内对整个发射模块的重量有所限制，所以最好选择P C B 印制天线。为获得好的性能，设计电路板时，天线环包围的面积应尽可能大，越靠近环的边沿，场的密度越高，所以设计的形状近似于一个正方形【们。T D K 5 1 1 0 提供三种功率模式：低功耗模式(P 0 w e rD o w nM o d e)、P I J L 使能模式(P L LE n a b l eM o d e)和发射模式(愉s m i tM o

7、d e)。在低功耗模式下，整个芯片都停止工作，电流消耗的典型值在8 5 时为1 4 n A；在P L L 使能模式下，P L L 开始工作而功放(P A)并未启动，P L L 的启动时间主要取决于外接的晶振大小，一般小于1 毫秒，电流的消耗为4 m A；在发射模式下，芯片的所有部分都开始工作，电流消耗的典型值为1 4 m A。当然，在实际的使用过程中，芯片大部分时间处于低功耗模式，就是在汽车的行驶过程中，数据也是间歇传出来的。所以可以通过软件设置一些发送模式及发射数据的频率，以期有效地降低系统的功耗。本设计采用F S K 的数据调制方式，所以根据图1 所示的F S K 调制的时序逻辑图，整个1

8、 1 6欢迎网上投稿w w w a e t n e t c nw w w a e t m t c o m c n电子技术应用2 0 0 6 年第7 期 万方数据O p e n，H i g l lF S K 吣L o w。-_ Eminlr r l s e c图l 鹏K 调制方式时序图芯片的外围电路连接如图2 所示。其中，C U(O U T 是与单片机同步的时钟信号，F s K D A l A 是与单片机的T x D引脚相连的信号，而P D W N 和A S K D A T A 引脚则和单片机的两个I O 引脚相连，通过软件可控制数据的发送模式。2 接收芯片电路设计与T D K 5 1 1 0

9、相对应的接收芯片为T D A 5 2 1 0，T D A 5 2 1 0 是低功耗的单片F S K A S K 超外差接收芯片，工作在I S M 的8 1 0 M H z 8 7 0 M H z 以及4 0 0 M H z 4 4 0 M H z 频段。芯片的集成度高，所需要的外设较少，有利于用户的设计。此芯片内有低噪声放大器(L N A)、双平衡混频器(m i x e r)、压控振荡器(V C O)、锁相环(P I J L)、晶振、限幅器(1 i l l l i t e r)、锁相环F S K 解调器(P L LF s Kd e m o d u l a t o r)、数据滤波器(d a t

10、af i l t e r)、数据限幅器(d a t as l i c e r)、峰值检波器(p e a kd e t e c t o r)等电路【3 1。本接收端选择F S K 数据调制方式，此时电流的消耗为5 9 m A，接收灵敏度为一1 0 0 d B m，在低功耗模式下电流消耗为5 0 n A。接收天线选择鞭状天线，其长度为入4(入为其接收信号的波长)，接收信号的频率为4 3 4 M H z，故天线长度大约为1 7 3 c m，此天线接收信号很灵敏。信号通过天线接收到以后，通过一个L C 滤波器进入L N A(低噪声放大器)，把一个微弱的信号放大。由于L N A 本身具有噪声，故需要通过

11、第二个L C 滤波网络进行滤波，然后进入混频器，与晶振通过锁相环倍频的信号进行混频，混频后的信号通过中频滤波器(I Ff i l t e r)进入限幅器。再经过数字滤波器、数据限制器送入单片机作进一步的解码处理。接收端的单片机选择N E C 公司的7 8 F 0 0 3 4 单片机川。接收芯片的外围接口电路如图3 所示。tL N A 主要是把天线接收到的微弱信号放大，理想的放大器希望只放大期望信号的幅度，而不放大任何失真信号和噪声信号，但实际上信号在通过L N A 时都不可t 避免的产生噪声。这就需要在L N A 的前后都加上滤波网络，若参数匹配合适，可以有效地滤除接收进来的杂波，提高信噪比。

12、t晶振电路的设计需要考虑以下因素：晶振频率的大小依据如=愉一1 0 7)，r 计算，其中，如为晶振的频率，屉为接收到的信号频率，r 为锁相环的倍频系数，1 0 7 为中频滤波器(I Ff i l t e r)的中心频率【5】。根据发射信号的频率为4 3 4 M H z 的实际情况，本例中，詹=4 3 4 M H z，r=3 2，故晶振频率加=(4 3 4 1 0 7)，3 2=1 3 2 3 4 M H z。晶振的负载电1容为c l，所需要的电容G 的计算公式为G=了鬲百【5 。l I b t 朋r j 飘例如，晶振频率为1 3 4 M H z 时，G=1 2 p F，兄=1 0 1 0 Q，

13、G=5 9 4 p F，所以通过两个电容串联而成，两个电容的电容值不一样，这有利于晶振的起振，实际应用中两电容分别选择为2 2 p F 和8 2 p F。接收端要同时接收来自四个车轮的数据信息，如何区分数据信息来自于哪个轮胎，就需要给轮胎编上序号。I I l f i n e o n 的传感器芯片S P l 2 就为每一个传感器编了一个惟一的序号，这使得在提取每一个传感器的相关信息时，首先读取该传感器的序号，据此就可以确定轮胎的位置【。3 系统的软件设计系统启动后，通过发射模块内的单片机读取传感器芯片所测量到的胎内压力、温度、电池电压以及加速度等，然后把这些信息和传感器的序号通过发射模块T D

14、K 5 2 1 0 发送出去。传感器芯片与单片机之间的数据传输主要通过S P I 总线协议完成【1】。汽车启动后，接收端上电开始工作，通过接收发射端传输过来的相关数据信息，实时地监测轮胎内的压力变化情况。当压力低于某一个设定的阈值时，通过警报方式提醒驾驶人员的注意，以便采取相应的措施。轮胎压力监测系统中无线数据传输问题是整个U 1 11I ll I。1C I K O U TP 哪i1 0P D W Nr 1P=C 1 32V SP A O U T9。，-、，_ V _、，、c 1 7 1 厂一380 lI l：4G N DP A G N D7 骼K D T A：C 1 5=C 1 81I lf

15、 1 45胯K O U TF S K D 7 r A6A S K D T A0兰，C 1 2一=C y 3C O S CA s)T A电子技术应用2 0 0 6 年第7 期本刊邮筋：e t a n c s e c o m c n1 1 7 万方数据图3 接收芯片外围接口电路r P M S 系统的关键部分，本设计在实验室条件下已经取得了预期的效果。由于实际的环境条件远比实验室复杂，所以要在实际的生产中使用，还需要更多次实验以及现场调试，并在此基础上作一些调整与改进。参考文献lS P l 2T v p ep r e s s u r es e n s o r I 血n e o nT e c h n

16、0 1 0 西e 8I n c2 0 0 5 h t t p：w w w i n 6 n e o n c o m27 I D K 5 11 0 F4 3 4M H zA S K F S K I r a n s m i t t e ri n1 0 D i nP a c k a g e I n f i n e o nT e c h n o l o 西e sI n c2 0 0 5 h t t p：，w w w i I l f i n e o n c o m3A S K F S KS i n 粤沁C o n v e r s i o nR e c e i v e rT D A5 2 1 0V e r

17、s i o n3 0 I 曲n e o nT e c h n o l o g i e sI n c2 0 0 5 h t t p：，w w w i 血n e o n c o m4A S K F S KT 嘶l s m i t t e r8 6 8 4 3 3M H z7 n)A5 1 0 0A p p l i c a t i o nN o t e I 血n e o nT e c h n o l o 西e sI n c2 0 0 5 h n p：w w w i 瓶n e o n c o m5A S K，F S KS i n g l eC o n v e r s i o nR e c e i v

18、e r sT D A5 21 XV e r s i o n1 1A p p l i c a t i o nN o t e I I l f i n e o nT e c h n o l o 百e sI n c2 0 0 5 h t t p：w w w i I l f i n e o n c o m6 黄智伟射频集成电路芯片原理与应用电路设计北京：电子工业出版社，2 0 0 47 日本电气(N E C)公司斗P D 7 8 0 0 2 4，肛P D 7 8 0 0 3 4，陆P D 7 8 0 0 2 4 Y，仙P D 7 8 0 0 3 4 Y 子系列8 位单片微控制器用户手册北京：电子工业出版

19、社，1 9 9 9(收稿日期：2 0 0 6 0 1 2 0)ML a b W 嵌入式设计平台现应用于A D IB l a c l【f i n 处理器的开发L a b V I E w 为嵌入式开发的领域专家提供图形化设计工具美国国家仪器有限公司(N a t i o n a lI n s t r u m e n t s，简称N I)与A n a l o gD e v i c e sI n c(A D I)联合发布专用于A D IB l a c I【l i n处理器的N IL a b V I E W 嵌入式模块，将I J a b V I E W 图形化数据流的开发环境扩展到高性能、低功耗的B l

20、a c k f i n 处理器，进行快速的嵌入式系统开发。通过这一专用的图形化开发平台，A D I 和N I 为业界推出这一现成即用、集成的解决方案，帮助没有嵌入式编程经验的领域专家克服嵌入式开发过程中遇到的传统挑战，快速完成复杂应用的开发。有了专用于A D IB l a c k i n 处理器的N II 丑b V I E W 嵌入式模块，领域专家们就可以在同一平台上完成算法设计、原型设计到发布和测试的整个开发应用过程。这一图形化的软件包括1 4 0 多种B l a c k f i n 特有的、手工优化的数学、分析和信号处理函数；如音频和视频D A C，A D C 和C O D E C 等集成

21、I，O；芯片调试以及通过以太网轻松地完成图形化连接。专用于A D IB l a c k f i n 处理器的N Ib b V I E W 嵌入式模块包括全功能的A D IV i s u a l D S P+C 开发和调试环境，该环境用于底层访问、实时、交互式调试，以及直接发布到B l a c k f i n 芯片的功能。工程师和科学家们可以在鼬V I E W 中运用图形化方式调试代码，或者对图形化代码和C 源代码同时进行调试。欢迎访问：w w w n i c o m l a b v i e w b l a c 蛳n1 1 8欢迎网上投稿w w w 神t n e t c nw w w a e t

22、 耻t c o m c n电子技术应用2 0 0 6 年第7 期 万方数据汽车轮胎压力监测系统中无线数据传输的设计与实现汽车轮胎压力监测系统中无线数据传输的设计与实现作者：陈余，袁涛作者单位：清华大学,自动化系,北京,100084刊名：电子技术应用英文刊名：APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE年，卷(期)：2006,32(7)被引用次数：3次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.SP12 Type pressure sensor.Infineon Technologies Inc 20052.日本电气(NEC)公司 PD780024,PD780034,PD78

23、0024Y,PD780034Y子系列8位单片微控制器用户手册 19993.黄智伟 射频集成电路芯片原理与应用电路设计 20044.ASK/FSK Single Conversion Receivers TDA 521X Version 1.1 Application Note.Infineon TechnologiesInc 20055.ASK/FSK Transmitter 868/433 MHz TDA 5100 Application Note.Infineon Technologies Inc 20056.ASK/FSK Single Conversion Receiver TDA 5

24、210 Version 3.0.Infineon Technologies Inc 20057.TDKS110F 434 MHz ASK/FSK Transmitter in 10-pin Package.Infineon Technologies Inc 2005 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.邹才杰 基于单片机的汽车轮胎温度和压力监测系统期刊论文-科技信息2010(7)2.刘占亚.付永庆.陶宝泉.LIU Zhan-ya.FU Yong-qing.TAO Bao-quan 带无线中继的汽车轮胎压力监测系统设计期刊论文-应用科技2009,36(12)3.金爱武.Jin A

25、iwu 直接式TPMS轮胎压力监测系统设计期刊论文-单片机与嵌入式系统应用2005(8)4.张守燕 奥迪轮胎压力监测系统剖析期刊论文-汽车维修技师2009(9)5.车胎压力监测系统简述及两种实现方案期刊论文-汽车电器2005(11)6.马伟方.施文康.MA Wei-fang.SHI Wen-kang 基于声表面波技术的无线测量系统研究期刊论文-工业仪表与自动化装置2001(3)7.刘灿.孟立凡.权晓鹏.Liu Can.Meng Li-fan.Quan Xiao-peng 用于轮胎压力监测系统中的低频唤醒技术的实现方法期刊论文-山西电子技术2008(5)8.罗宇飞.李怀俊.Luo Yufei.L

26、i Huaijun 基于智能传感器MPXY8300的TPMS设计期刊论文-单片机与嵌入式系统应用2010(9)9.戴国骏.孙校明.李二涛.DAI Guo-jun.SUN Xiao-ming.LI Er-tao 基于LIN总线的轮胎压力监测系统的研究与设计期刊论文-杭州电子科技大学学报2007,27(5)10.孙永丽.韩加蓬.唐晓峰 基于轮胎纵向刚度的轮胎压力监测技术研究会议论文-2008 引证文献(3条)引证文献(3条)1.马臣岗.孟立凡 TDK5110与TDA5220的无线温度采集系统期刊论文-单片机与嵌入式系统应用 2010(7)2.刘正荣.凌睿.刘文才 汽车轮胎压力监测系统应用设计期刊论文-单片机与嵌入式系统应用 2008(4)3.姚林波.程筱军.秦会斌 基于SP30的轮胎压力监测系统设计期刊论文-杭州电子科技大学学报 2007(5)本文链接：http:/