[b] 引 言 [/b] 隨著汽車越來越多地進(jìn)入家庭，汽車行駛的安全問題也成為人們?cè)絹碓疥P(guān)注的話題。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）由此應(yīng)運(yùn)而生，它是繼ABS、安全氣囊后第3個(gè)重要的汽車安全電子產(chǎn)品，主要用于在汽車行駛過程中對(duì)輪胎氣壓、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，是駕車者和乘車人員的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。 目前TPMS的實(shí)現(xiàn)形式主要有兩種：基于車輪轉(zhuǎn)速的TPMS（Wheel-Speed Based TPMS），又叫“間接式TPMS”；基于壓力傳感器的TPMS（Pressure-SensorBased TPMS），又叫直接式TPMS”。間接式TPMS是通過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器比較車輪之間的轉(zhuǎn)速差別，來確定輪胎壓力的變化，這種方式現(xiàn)在用得不多。直接式TPMS是在每個(gè)輪胎內(nèi)使用壓力傳感器和溫度傳感器，然后把采集到的壓力和溫度信號(hào)通過有線或無線的方式傳送到汽車駕駛室內(nèi)的主控制器進(jìn)行處理，目前大多數(shù)TPMS采用無線的方式進(jìn)行壓力和溫度數(shù)據(jù)的傳送?，F(xiàn)在直接式TPMS用得比較廣泛。在這種方式中，輪胎內(nèi)輪胎模塊一旦裝上，電池就不斷地工作，因此輪胎模塊低功耗和車輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)射頻接收靈敏度以及噪聲抑制就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。在此原則之下，本文提出了一種新的TPMS設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所開發(fā)的系統(tǒng)工作可靠，能夠達(dá)到安全預(yù)警的目的。 [b] 1 總體設(shè)計(jì)及主要元器件選擇 [/b] 輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）的工作是通過射頻收發(fā)來實(shí)現(xiàn)的，由輪胎模塊和監(jiān)視器模塊組成。圖1為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 1．1 輪胎模塊 輪胎模塊由傳感器、微處理器、發(fā)射芯片、電池和天線組成。因?yàn)榇四K要嵌入到輪胎內(nèi)，所以模塊的超小型和節(jié)電設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的問題。 1．1．1 傳感器 傳感器選擇Motorola公司的壓力／溫度傳感器MPXY8020A。它是一種表面微機(jī)械型電容性微機(jī)電系統(tǒng)（MSMS）壓力傳感器。其特點(diǎn)有：專門的TPMS氣壓和溫度傳感器、CMOS工藝、低功耗、3 V工作電壓、帶有MCU喚醒功能的集成低頻振蕩器、8位數(shù)字輸出；全部功能集成在單一芯片上，降低了功耗，適合條件要求苛刻的電池供電系統(tǒng)；測(cè)壓范圍為一40℃～+125℃，測(cè)溫范圍為0～637 kPa；它具有4種工作模式，即待機(jī)／復(fù)位、壓力測(cè)量、溫度測(cè)量和數(shù)據(jù)輸出。用戶可以通過設(shè)置S0和S1引腳選擇相應(yīng)的模式，如表1所列。由表1可以發(fā)現(xiàn)，MPXY8020A在不同的工作模式下，需要的工作電路不同，從而達(dá)到降低功耗的目的。 1．1．2 微處理器 微處理器選擇。Micro-chip公司的：PIC16F636。其主要特點(diǎn)有： ①高性能RISC技術(shù)。僅需學(xué)習(xí)35條指令，這給程序的編寫、調(diào)試、修改帶來極大的便利，便于軟件模擬SPI串口及開漏極引腳。 ②極低的功耗水平。在1 MHz時(shí)鐘頻率下工作電流約為100μA，而在休眠情況下的典型工作電流僅為1 nA。 ③工作溫度范圍寬。汽車級(jí)溫度范圍為一40℃～125℃。 ④徹底的保密性。PIC以保密熔絲來保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，其他人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的可能性極小。 ⑤自帶看門狗定時(shí)器。為系統(tǒng)提供了惡劣環(huán)境下自復(fù)位的功能，提高程序運(yùn)行的可靠性。 1．1．3 發(fā)射芯片 發(fā)射芯片選擇Maxim公司的MAX1479。其特點(diǎn)有：采用微型3 mm×3 mm的16引腳QFN封裝，3 V工作電壓，汽車級(jí)溫度范圍（一40℃～十125℃）、快速開啟振蕩器（200μs）、自帶鎖相環(huán)PLL和高效功率放大器，支持ASK、OOK和FSK調(diào)制方式，超低功耗（常溫下待機(jī)電流僅為0．2 nA），可調(diào)節(jié)的FSK偏移，可編程的時(shí)鐘輸出。 1．2 監(jiān)視器模塊 監(jiān)視器模塊主要由接收芯片、微處理器、LCD顯示器和按鍵組成。 1．2．1 接收芯片 接收芯片選擇Motorola公司的MC33594（Remeo2），它是一個(gè)單片集成射頻接收器。其特點(diǎn)有：采用LQFP24封裝，快速喚醒（1 ms），內(nèi)含660kHz的中頻帶通濾波器，完整的壓控振蕩器（VCO），可消除鏡像的混頻器，自動(dòng)對(duì)接收到的曼徹斯特編碼解碼（FSK工作模式），曼徹斯特編碼時(shí)鐘再生電路，SPI接口，可用于設(shè)計(jì)433．92 MHz的OOK／FSK接收電路。 1．2．2 微處理器 監(jiān)視器模塊的微處理器選擇Motorola公司的48腳MC68HC908GZ16（簡(jiǎn)稱“GZ16”）。它是Freescale公司的一款采用68HC08架構(gòu)的8位微控制器，資源齊全，尺寸小，適合監(jiān)控器模塊的功能要求以及汽車的運(yùn)行環(huán)境。其主要資源包括：1個(gè)CAN模塊、1個(gè)SPI模塊、1個(gè)ESCI模塊、2個(gè)雙通道16位定時(shí)器接口模塊、8路10位A／D通道、1個(gè)基本時(shí)鐘模塊、37個(gè)通用輸入輸出引腳、8位鍵盤喚醒端口。該控制器采用PLL鎖相環(huán)技術(shù)，能夠產(chǎn)生最高8MHz的總線頻率。 1．2．3 LOD顯示器 LCD顯示器選擇三星公司的點(diǎn)陣式液晶顯示器LG192641。它具有如下特點(diǎn)：192×64點(diǎn)陣，可視區(qū)范圍大（外形尺寸113．0 mm×71．0 mm×9．5 mm，可視區(qū)為97．0 mm×48．0 mm），內(nèi)置液晶控制驅(qū)動(dòng)器，單5 V供電／雙電源供電可選，工作溫度范圍寬（-20℃～+70℃），采用LED背光且EL背光可選，強(qiáng)光下顯示效果好。 [b] 2 硬件電路設(shè)計(jì) [/b] 2．1 輪胎模塊電路 圖2所示為輪胎模塊電路原理圖。模塊安裝在輪胎氣門芯上，由3 V鋰電池供電。射頻芯片的晶振頻率為13．56 MHz，發(fā)射方式為FSK，RF頻率為433．92 MHz。PIC16F636使用內(nèi)部晶振，抗干擾能力強(qiáng)。采用曼徹斯特編碼提高數(shù)據(jù)發(fā)射的可靠性。晶振頻率的計(jì)算公式為 2．2 監(jiān)視器模塊電路 圖3所示為中央接收處理模塊的電路原理。數(shù)據(jù)管理器支持MC33594與GZ16控制器通信，可以鍵盤輸入輪胎壓力的閾值，各個(gè)輪胎的壓力值與溫度值通過液晶顯示更加直觀。當(dāng)輪胎充氣壓力出現(xiàn)異常時(shí)，蜂鳴器與發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警，由液晶屏上相應(yīng)的輪胎圖像閃爍提示。 [b] 3 軟件設(shè)計(jì) [/b] 輪胎模塊是一個(gè)對(duì)功耗極其敏感的系統(tǒng)。它采用體積和重量都受限制的電池供電，且電池的更換和輪胎模塊的更換都很不方便，所以在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，如何優(yōu)化輪胎模塊的程序算法來降低系統(tǒng)的功耗成為本設(shè)計(jì)重點(diǎn)需要解決的問題。 監(jiān)視器模塊采用汽車蓄電池供電，功耗不是主要問題。其軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確處理、直觀顯示和異常報(bào)警。 3．1 通信協(xié)議 為了實(shí)現(xiàn)輪胎模塊和監(jiān)視器模塊之間的單向無線數(shù)據(jù)通信，必須制定一組通信雙方都遵守的通信協(xié)議。 3．1．1 數(shù)據(jù)載波波形 本設(shè)計(jì)中，TPMS的信號(hào)采用曼徹斯特編碼，調(diào)制方式為FSK。它的“1”和“0”位對(duì)應(yīng)的頻率變化如圖4所示（fdev為頻率偏移值）。 3．1．2 數(shù)據(jù)幀格式 輪胎模塊將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送給監(jiān)視器模塊。接收端MC33594規(guī)定，當(dāng)采用FSK調(diào)制時(shí)，數(shù)據(jù)幀的組成是：4位前同步（preamble）碼、8位ID，又是4位前同步碼（MC33594規(guī)定在報(bào)頭前面必須有4位前同步碼）、4位報(bào)頭（Header）、用戶數(shù)據(jù)和2位結(jié)束碼（EOM）。其中，前同步碼規(guī)定為4位連續(xù)曼徹斯特編碼的“1”或“0”，用來恢復(fù)同步時(shí)鐘；ID和報(bào)頭的數(shù)值是可設(shè)定的，由MCU預(yù)先寫人MC33594的配置寄存器中（本設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)的ID為十六進(jìn)制數(shù)B8，報(bào)頭為“0110”）；報(bào)頭標(biāo)識(shí)用戶數(shù)據(jù)的開始，用戶數(shù)據(jù)緊跟其后，沒有任何延遲；EOM由2位非歸零編碼（NRZ）的連續(xù)的“1”或“0”組成。用戶數(shù)據(jù)前面的20位碼串是由射頻接收芯片規(guī)定的，稱為“前導(dǎo)碼”。本設(shè)計(jì)的前導(dǎo)碼為十六進(jìn)制FB8F6。數(shù)據(jù)幀發(fā)送必須由EOM結(jié)束，而不能簡(jiǎn)單地將射頻信號(hào)終止。鑒于輪胎的壓力和溫度值可能長(zhǎng)時(shí)間處于基本不變的狀態(tài)，在這種情況下發(fā)送溫度、壓力值的必要性不大，因此本設(shè)計(jì)采用了長(zhǎng)、短幀結(jié)合的數(shù)據(jù)發(fā)送方案。具體幀格式如下： 3．2 輪胎模塊的程序設(shè)計(jì) 在輪胎模塊主程序設(shè)計(jì)中，充分利用PIC16F636的低功耗模式中STOP模式是低功耗算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。PIC16F636上電復(fù)位并進(jìn)行初始化后進(jìn)入待機(jī)模式（即STOP模式）。 上電復(fù)位后，首先設(shè)置傳感器工作在STANDBY模式下，然后MAX1479進(jìn)入STOP模式。在此種模式下，OUTPUT引腳每3 s輸出一次下降沿，觸發(fā)PIC16F636的外部中斷，從而喚醒PIC16F636，使其脫離STOP狀態(tài)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)射控制處理。如果采集值是一個(gè)新的最大或最小值（處于發(fā)送周期內(nèi)）就存入RAM，否則就把計(jì)數(shù)器加1再返回停止模式。在連續(xù)10次喚醒后（30 s），模塊把它的狀態(tài)發(fā)送給接收機(jī)。模塊分析存儲(chǔ)的胎壓最大值和最小值間的差異，如果這個(gè)差值超過了存儲(chǔ)在ROM中的最大差值（△max），模塊111｀就進(jìn)入快速發(fā)送模式，每隔800～900 ms發(fā)送255個(gè)數(shù)據(jù)幀。MAX1479使用曼徹斯特編碼方式來發(fā)送射頻數(shù)據(jù)。發(fā)射完成之后再重新允許外部中斷，讓傳感器進(jìn)入STANDBY模式，PIC16F636、MAX1479 同時(shí)進(jìn)入STOP模式，以降低功耗，延長(zhǎng)電池的使用壽命。PIC16F636工作在內(nèi)部晶振模式下，可以增加其抗干擾能力。傳感器的RST信號(hào)每隔52 min復(fù)位1次PIC16F636，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的工作可靠性。輪胎模塊主程序流程如圖5所示。 3．3 監(jiān)視器模塊的程序設(shè)計(jì) 監(jiān)視器模塊的程序要實(shí)現(xiàn)的主要功能是：監(jiān)視器模塊的初始化；對(duì)射頻接收芯片的控制；對(duì)接收到的輪胎狀態(tài)信息進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理（包括數(shù)據(jù)顯示、異常狀態(tài)報(bào)警等）以及人機(jī)界面的參數(shù)設(shè)定。監(jiān)視器模塊主要包括主程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)接收子程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)3個(gè)部分。 監(jiān)視器模塊的主程序流程如圖6所示。GZ16內(nèi)部的時(shí)基模塊（TBM）能夠產(chǎn)生周期中斷。微處理器對(duì)收到的各輪胎模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，在每次TBM中斷時(shí)驗(yàn)證是否收到輪胎模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，如果收到就清除報(bào)警標(biāo)志位。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間沒有收到某輪胎模塊的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)接收超時(shí)標(biāo)志將置位，從而觸發(fā)報(bào)警程序，提醒駕駛員主機(jī)不能正常接收該輪胎模塊信息。 [b] 結(jié) 語(yǔ) [/b] 本文提出了一種新的直接式TPMS解決方案，并在實(shí)際開發(fā)的基礎(chǔ)上，介紹了系統(tǒng)的工作原理；給出了具體的硬件、軟件設(shè)計(jì)。通過裝車實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)功耗低、可靠性高，穩(wěn)定性好，成本低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，正籌劃進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。