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日期:2009-5-13 10:31:24 

    TPMS (轮胎压力监测系统)的作用是在汽车行驶过程中对轮胎气压进行实时自动监测,并对轮胎漏气和低气压进行报警,以确保行车安全。这种系统的原理是通过安装在轮胎内的传感器检测轮胎压力、温度等参数,并通过无线方式实时准确地将测量值传送给接收装置。本文在内置模拟前端的单片机PIC16F639的基础上设计出一种可低频唤醒的TPMS发射机,驾驶员可对检测系统的工作状态进行控制,通过设定轮胎的检测顺序,就可以解决轮胎的定位问题。

1.发射系统原理与解决方案
  从图1可知,发射系统主要由胎内传感器、信号处理模块、高频发射模块和LF接收模块组成。其基本工作原理是:系统接收到低频唤醒信号后,根据信号调理与译码所得指令调整系统的工作状态,胎内传感器将检测量传输给MCU,再通过发射模块以433.9MHz载频发送出去。

1.1传感器
  本系统选用Freescale公司的MPXY8020A型硅压阻式压力传感器,其内部包括压力、温度传感器,具有电源管理和数据输出功能。可通过S0、S1引脚控制其工作模式,每隔3s通过OUT引脚发出370?滋s宽度的唤醒脉冲,约每52min通过/RST引脚发出一个复位脉冲。
1.2信号处理与低频接收模块
  Microchip公司的PIC16F639是一款带有三通道模拟前端(AFE)的MCU,其模拟前端特性由MCU固件控制。由于使用方便,该器件可用于多种智能低频检测和双向通讯应用中。因其具有工作电压范围宽、待机电流小、工作电流低等特点,十分适合应用于胎压检测。其集成的三通道模拟前端可检测低至1mV(峰-峰值)的125kHz输入信号,具有三个天线连接引脚。通过连接指向X、Y和Z方向的三个天线,应答器可随时接收来自任意方向的信号,从而降低因天线的方向性而造成信号丢失的可能性。各天线引脚的输入信号的检测是相互独立的,并随后相加。通过对配置寄存器进行编程,每个输入通道可以被单独使能或禁止。被使能的通道越少,器件的功耗就越小。
1.3高频发射模块
  发射模块采用Maxim公司的MAX1479,可发射300MHz~450MHz的ASK和FSK数据,在FSK模式下采用Manchester码可达到20kbps的数据速率。该芯片具有低电源电流(ASK模式下为6.7mA,FSK模式下为10.5mA),仅200?滋s的启动时间等优点,非常适合应用于低功耗设计。
2TPMS发射系统硬件设计
  TPMS发射系统硬件主要由发射芯片MAX1479、单片机PIC16F639和传感器MPXY8020A构成,如图2所示。模块发射频率为MAX1479外接晶振频率的32倍频,即需外接13.56MHz振荡器。MODE引脚接高电平,为FSK调制模式。CLK0和CLK1引脚可以设置CLKOUT频率输出引脚的输出频率。DEV0、DEV1、DEV2引脚可为FSK调制模式设置频率偏移,当DIN引脚为高电平时,PAOUT输出高频信号至天线。   PIC16F639内置了三通道模拟前端,由于低频发射基站与接收模块位置相对固定,只需安装一个低频接收天线即可。接收天线为铁氧体磁芯线圈,电感量为7.1mH,并联220pF电容后,可在125kHz处谐振,并联谐振阻抗最大,当发射线圈与接收线圈相互平行,即可最大限度地拾取有用信号。每个通道内还具有一个调节电容,可用来调节外部天线。此电容可通过寄存器配置电容大小,最大63pF,可1pF步进调整。LCCOM引脚为三通道的公共地。单片机使用内部已校准的8MHz振荡器,可通过寄存器中IRCF位配置分频系数,分频后可得到低至31kHz的时钟频率。传感器与单片机采用SPI串口方式连接,可以通过配置S1、S0引脚使传感器工作于待机、测量压力、测量温度和读数据这四个状态。OUT引脚连接至RA1引脚,并每隔三秒发出唤醒脉冲,PORTA口电平变化引发中断,将单片机从休眠模式唤醒。
3.发射系统软件设计
3.1 RF传输协议
  RF信号的传输采用曼彻斯特编码,即一个数字信号值在每一个比特位周期内作高、低电平之间的切换,前半周期高电平后半周期低电平表示数字1,而先低后高表示数字0。MAX1479的 FSK模式最大数据传输率为20kbps,在本系统中采用9.6kbps的数据率。RF数据帧格式如表1所示。
      (1)前导位:由连续的31个数字1接一个数字0组成,前导位可以使接收器识别出有效的RF信号,并可使接收器与发射信号频率同步,因此可补偿发射机振荡频率的误差。前导位的位数可以不固定,位数长的前导位有利于提高接收器的灵敏度,而位数短的前导位有利于节省发送端功耗。
  (2)发射机ID:每个发射机都有惟一的ID号码,32位的长度可极大地避免出现两个相同ID的情况。
  (3)压力值:压力值采用8位无符号数表示,每一位代表2.5kPa。
  (4)温度值:温度值采用8位无符号数表示,最低可测温度为零下40度,每一位代表0.8度。
  (5)状态位:包括电池低压检测数据、传感器的工作模式信息。
  (6)校验和位:校验和长度为8位。其产生的方法是,发送时,对所有数据求异或结果再取反作为校验和;接收时,对所有数据连同校验和求异或求反,结果为0表示正确,否则错误,丢弃数据包。
3.2 LF传输协议与软件流程
  LF信号的传输也采用曼彻斯特编码。由于PIC16F639模拟前端输入调制频率最高为4kHz,所以选择1kHz作为LF输入信号的数据频率。LF数据帧格式如表2所示。
  (1)AGC稳定时间:这是一个持续的高电平脉冲,可将AFE从休眠模式唤醒,AGC模块可以自动调整过强的输入信号电压,使之达到后续电路可接受的水平,AGC稳定时间后,AGC稳定于输入信号电平。如果AGC稳定时间不符合要求,AFE将被软复位。
  (2)唤醒滤波器脉冲:唤醒滤波器用来使能LFDATA输出并唤醒单片机,但前提条件是在LC输入引脚接收到特定的脉冲序列。这样可以防止由于噪声或不想要的输入信号等原因而致使AFE唤醒单片机。唤醒滤波器脉冲的高持续时间和低持续时间分别由OEH、OHL位决定,通过SPI口编程。
  (3)命令位:8位数据中的第1位将引起PORTA电平变化中断使单片机从休眠模式唤醒,剩余的7位数据作为命令代码。单片机通过定时采集RA4引脚电平,获得相应数据,并通过与单片机预定义值进行匹配,产生相应动作状态。
  (4)校验位:采用奇校验方式,即当数据中1的个数为奇数时,则校验位为0;否则校验位为1。
  (5)结束位:用两个连续的数字0表示结束位,结束位采用NRZ编码格式。
  图3是PIC16F639检测低频信号流程图。当单片机上电后,可以通过SPI口对AFE的8个寄存器进行设置。打开PORTA电平变化中断后进入休眠模式。当LC输入引脚检测到输入信号,输入的AGC稳定时间电平超过20mV时将置位AFE状态寄存器AGCACT位。如果输入信号不到20mV,则不会激活AGC。由于只使用一个模拟通道,因此当检测到输入信号时,只置位WAKEY位。若AFE被唤醒后,超过16ms没有信号输入,则软复位将使AFE重新回到休眠状态。如果未使能唤醒滤波器,则后续接收到的信号将被AFE认为是有用信号,并直接从LFDATA引脚以数字量输出。否则,后续信号必须满足唤醒滤波器的时序脉冲要求。如果不满足,且超过32ms没有正确信号输入将置/ALERT引脚低,并返回到休眠状态。如果满足,则通过LFDATA引脚唤醒单片机并输出数据。单片机根据译码数据被重新配置。
3.3发射模块基本程序流程
  当系统上电复位后,PIC16F639首先执行初始化命令,随后进入休眠等待状态,如图4(a)所示。当检测到传感器唤醒脉冲或LF的输入信号时,系统退出休眠状态。检测到传感器唤醒脉冲后,若满足数据检测条件,则单片机通过配置传感器S1、S0模式选择引脚 ,控制传感器检测压力及温度,并将读取的数据通过SPI口传至PIC单片机,判定是否满足配置发射条件,系统默认的发送条件是30秒发送一次,但也可以通过低频唤醒指令自行设置发射信号的时间间隔。当测量的压力与温度变化量超过阈值时,系统则会自动修改发送条件至快速发射模式,即将发射数据时间间隔缩短到800ms,使驾驶者可以实时掌握轮胎状态,及时采取防范措施。当发射完成后,系统再次进入休眠状态,以上基本流程如图4(c)所示。如果系统被LF信号唤醒后,则首先对LF输入的曼彻斯特编码信号进行译码,根据译码信息重新配置发射条件与数据检测的时间间隔,也可以控制TPMS发射系统的启动和暂停,如图4(b)所示。
结束语:
  可低频唤醒的TPMS发射系统具有低成本、低功耗、高集成度、具有双向通信功能的特点,这使它比传统TPMS更具市场竞争力。虽然TPMS现在还属于比较高端的产品,离大众化和普及化还有很长的距离。但在高度重视汽车安全性的未来,轮胎压力监测系统一定会成为所有汽车上的标准配置。

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