在內(nèi)置模擬前端的單片機(jī) 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種的 發(fā)射機(jī)，它通過低頻信號(hào)獲取操作指令信息，再通過高頻信號(hào)將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)射出去。實(shí)現(xiàn)了TPMS發(fā)射機(jī)與駕駛員的雙向通信，提出了具體的硬件與軟件設(shè)計(jì)方案。

TPMS（Tire Pressure Monitoring System）是胎壓檢測(cè)系統(tǒng)的英文縮寫形式。這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在輪胎內(nèi)的傳感器檢測(cè)輪胎壓力、溫度等參數(shù)，并通過無線方式實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地將測(cè)量值傳送給接收裝置，駕駛員通過液晶顯示器了解車輛的輪胎狀況，可有效降低因爆胎引發(fā)交通事故的幾率。

傳統(tǒng)的胎壓檢測(cè)系統(tǒng)一般采用定時(shí)喚醒或加速度喚醒的方式延長(zhǎng)胎內(nèi)發(fā)射裝置的使用壽命，駕駛員對(duì)胎內(nèi)壓力檢測(cè)系統(tǒng)的啟動(dòng)、暫停、檢測(cè)方式無法進(jìn)行控制。同時(shí)，在傳統(tǒng)胎壓檢測(cè)系統(tǒng)中，將輪胎的定位信息寫入輪胎內(nèi) 的ID中，如果更換輪胎則需要對(duì)定位信息重新設(shè)置，否則系統(tǒng)無法正確反映輪胎位置。采用可低頻喚醒的TPMS，駕駛員可對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，通過設(shè)定輪胎的檢測(cè)順序，就可以解決輪胎的定位問題。

1 發(fā)射系統(tǒng)原理與解決方案

從圖1可知，發(fā)射系統(tǒng)主要由胎內(nèi)傳感器、信號(hào)處理模塊、高頻發(fā)射模塊和LF接收模塊組成。其基本工作原理是：系統(tǒng)接收到低頻喚醒信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)調(diào)理與譯碼所得指令調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)，胎內(nèi)傳感器將檢測(cè)量傳輸給MCU，再通過發(fā)射模塊以433.9MHz載頻發(fā)送出去。

1．1 傳感器

本系統(tǒng)選用Freescale公司的MPXY8020A型硅壓阻式壓力傳感器，其內(nèi)部包括壓力、溫度傳感器，具有電源管理和數(shù)據(jù)輸出功能?？赏ㄟ^S0、S1引腳控制其工作模式，每隔3s通過OUT引腳發(fā)出370?滋s寬度的喚醒脈沖，約每52min通過/RST引腳發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖[1]。

1．2 信號(hào)處理與低頻接收模塊

MicroChip公司的PIC16F639是一款帶有三通道模擬前端（AFE）的MCU，其模擬前端特性由MCU固件控制。由于使用方便，該器件可用于多種智能低頻檢測(cè)和雙向通訊應(yīng)用中。因其具有工作電壓范圍寬、待機(jī)電流小、工作電流低等特點(diǎn)[2]，十分適合應(yīng)用于胎壓檢測(cè)。其集成的三通道模擬前端可檢測(cè)低至1mV(峰-峰值)的125kHz輸入信號(hào)，具有三個(gè)天線連接引腳。通過連接指向X、Y和Z方向的三個(gè)天線，應(yīng)答器可隨時(shí)接收來自任意方向的信號(hào)，從而降低因天線的方向性而造成信號(hào)丟失的可能性。各天線引腳的輸入信號(hào)的檢測(cè)是相互獨(dú)立的，并隨后相加。通過對(duì)配置寄存器進(jìn)行編程，每個(gè)輸入通道可以被單獨(dú)使能或禁止。被使能的通道越少，器件的功耗就越小。

1．3 高頻發(fā)射模塊

發(fā)射模塊采用Maxim公司的MAX1479，可發(fā)射300MHz～450MHz的ASK和FSK數(shù)據(jù)，在FSK模式下采用Manchester碼可達(dá)到20kbps的數(shù)據(jù)速率。該芯片具有低電源電流（ASK模式下為6.7mA，F(xiàn)SK模式下為10.5mA)，僅200?滋s的啟動(dòng)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于低功耗設(shè)計(jì)[3]。

2 TPMS發(fā)射系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

TPMS發(fā)射系統(tǒng)硬件主要由發(fā)射芯片MAX1479、單片機(jī)PIC16F639和傳感器MPXY8020A構(gòu)成，如圖2所示。模塊發(fā)射頻率為MAX1479外接晶振頻率的32倍頻，即需外接13.56MHz振蕩器。MODE引腳接高電平，為FSK調(diào)制模式。CLK0和CLK1引腳可以設(shè)置CLKOUT頻率輸出引腳的輸出頻率。DEV0、DEV1、DEV2引腳可為FSK調(diào)制模式設(shè)置頻率偏移，當(dāng)DIN引腳為高電平時(shí)，PAOUT輸出高頻信號(hào)至天線。PIC16F639內(nèi)置了三通道模擬前端，由于低頻發(fā)射基站與接收模塊位置相對(duì)固定，只需安裝一個(gè)低頻接收天線即可。接收天線為鐵氧體磁芯線圈，電感量為7.1mH，并聯(lián)220pF電容后，可在125kHz處諧振，并聯(lián)諧振阻抗最大，當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈相互平行，即可最大限度地拾取有用信號(hào)。每個(gè)通道內(nèi)還具有一個(gè)調(diào)節(jié)電容，可用來調(diào)節(jié)外部天線。此電容可通過寄存器配置電容大小，最大63pF，可1pF步進(jìn)調(diào)整。LCCOM引腳為三通道的公共地。單片機(jī)使用內(nèi)部已校準(zhǔn)的8MHz振蕩器，可通過寄存器中IRCF位配置分頻系數(shù)，分頻后可得到低至31kHz的時(shí)鐘頻率。傳感器與單片機(jī)采用SPI串口方式連接，可以通過配置S1、S0引腳使傳感器工作于待機(jī)、測(cè)量壓力、測(cè)量溫度和讀數(shù)據(jù)這四個(gè)狀態(tài)。OUT引腳連接至RA1引腳，并每隔三秒發(fā)出喚醒脈沖，PORTA口電平變化引發(fā)中斷，將單片機(jī)從休眠模式喚醒。

3 發(fā)射系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 RF傳輸協(xié)議

RF信號(hào)的傳輸采用曼徹斯特編碼，即一個(gè)數(shù)字信號(hào)值在每一個(gè)比特位周期內(nèi)作高、低電平之間的切換，前半周期高電平后半周期低電平表示數(shù)字1，而先低后高表示數(shù)字0。MAX1479的 FSK模式最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，在本系統(tǒng)中采用9.6kbps的數(shù)據(jù)率。RF數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

(1)前導(dǎo)位：由連續(xù)的31個(gè)數(shù)字1接一個(gè)數(shù)字0組成，前導(dǎo)位可以使接收器識(shí)別出有效的RF信號(hào)，并可使接收器與發(fā)射信號(hào)頻率同步，因此可補(bǔ)償發(fā)射機(jī)振蕩頻率的誤差。前導(dǎo)位的位數(shù)可以不固定，位數(shù)長(zhǎng)的前導(dǎo)位有利于提高接收器的靈敏度，而位數(shù)短的前導(dǎo)位有利于節(jié)省發(fā)送端功耗。

(2)發(fā)射機(jī)ID：每個(gè)發(fā)射機(jī)都有惟一的ID號(hào)碼，32位的長(zhǎng)度可極大地避免出現(xiàn)兩個(gè)相同ID的情況。

(3)壓力值：壓力值采用8位無符號(hào)數(shù)表示，每一位代表2.5kPa。

(4)溫度值：溫度值采用8位無符號(hào)數(shù)表示，最低可測(cè)溫度為零下40度，每一位代表0.8度。

(5)狀態(tài)位：包括電池低壓檢測(cè)數(shù)據(jù)、傳感器的工作模式信息。

(6)校驗(yàn)和位：校驗(yàn)和長(zhǎng)度為8位。其產(chǎn)生的方法是，發(fā)送時(shí)，對(duì)所有數(shù)據(jù)求異或結(jié)果再取反作為校驗(yàn)和；接收時(shí)，對(duì)所有數(shù)據(jù)連同校驗(yàn)和求異或求反，結(jié)果為0表示正確，否則錯(cuò)誤，丟棄數(shù)據(jù)包。

3．2 LF傳輸協(xié)議與軟件流程

LF信號(hào)的傳輸也采用曼徹斯特編碼。由于 PIC16F639 模擬前端輸入調(diào)制頻率最高為4kHz,所以選擇1kHz作為L(zhǎng)F輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)頻率。LF數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

(1)AGC穩(wěn)定時(shí)間：這是一個(gè)持續(xù)的高電平脈沖，可將AFE從休眠模式喚醒，AGC模塊可以自動(dòng)調(diào)整過強(qiáng)的輸入信號(hào)電壓，使之達(dá)到后續(xù)電路可接受的水平，AGC穩(wěn)定時(shí)間后，AGC穩(wěn)定于輸入信號(hào)電平。如果AGC穩(wěn)定時(shí)間不符合要求，AFE將被軟復(fù)位。

(2)喚醒濾波器脈沖：?jiǎn)拘褳V波器用來使能LFDATA輸出并喚醒單片機(jī)，但前提條件是在LC輸入引腳接收到特定的脈沖序列。這樣可以防止由于噪聲或不想要的輸入信號(hào)等原因而致使AFE喚醒單片機(jī)。喚醒濾波器脈沖的高持續(xù)時(shí)間和低持續(xù)時(shí)間分別由OEH、OHL位決定，通過SPI口編程。

(3)命令位：8位數(shù)據(jù)中的第1位將引起PORTA電平變化中斷使單片機(jī)從休眠模式喚醒，剩余的7位數(shù)據(jù)作為命令代碼。單片機(jī)通過定時(shí)采集RA4引腳電平，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，并通過與單片機(jī)預(yù)定義值進(jìn)行匹配，產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作狀態(tài)。

(4)校驗(yàn)位：采用奇校驗(yàn)方式，即當(dāng)數(shù)據(jù)中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，則校驗(yàn)位為0；否則校驗(yàn)位為1。

(5)結(jié)束位：用兩個(gè)連續(xù)的數(shù)字0表示結(jié)束位，結(jié)束位采用NRZ編碼格式。

圖3是PIC16F639檢測(cè)低頻信號(hào)流程圖。當(dāng)單片機(jī)上電后，可以通過SPI口對(duì)AFE的8個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置。打開PORTA電平變化中斷后進(jìn)入休眠模式。當(dāng)LC輸入引腳檢測(cè)到輸入信號(hào)，輸入的AGC穩(wěn)定時(shí)間電平超過20mV時(shí)將置位AFE狀態(tài)寄存器AGCACT位。如果輸入信號(hào)不到20mV，則不會(huì)激活A(yù)GC。由于只使用一個(gè)模擬通道，因此當(dāng)檢測(cè)到輸入信號(hào)時(shí)，只置位WAKEY位。若AFE被喚醒后，超過16ms沒有信號(hào)輸入，則軟復(fù)位將使AFE重新回到休眠狀態(tài)。如果未使能喚醒濾波器，則后續(xù)接收到的信號(hào)將被AFE認(rèn)為是有用信號(hào)，并直接從LFDATA引腳以數(shù)字量輸出。否則，后續(xù)信號(hào)必須滿足喚醒濾波器的時(shí)序脈沖要求。如果不滿足，且超過32ms沒有正確信號(hào)輸入將置/ALERT引腳低，并返回到休眠狀態(tài)。如果滿足，則通過LFDATA引腳喚醒單片機(jī)并輸出數(shù)據(jù)。單片機(jī)根據(jù)譯碼數(shù)據(jù)被重新配置。

3．3 發(fā)射模塊基本程序流程

當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，PIC16F639首先執(zhí)行初始化命令，隨后進(jìn)入休眠等待狀態(tài)，如圖4(a)所示。當(dāng)檢測(cè)到傳感器喚醒脈沖或LF的輸入信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)退出休眠狀態(tài)。檢測(cè)到傳感器喚醒脈沖后，若滿足數(shù)據(jù)檢測(cè)條件，則單片機(jī)通過配置傳感器S1、S0模式選擇引腳 ，控制傳感器檢測(cè)壓力及溫度，并將讀取的數(shù)據(jù)通過SPI口傳至PIC單片機(jī)，判定是否滿足配置發(fā)射條件，系統(tǒng)默認(rèn)的發(fā)送條件是30秒發(fā)送一次，但也可以通過低頻喚醒指令自行設(shè)置發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔。當(dāng)測(cè)量的壓力與溫度變化量超過閾值時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)修改發(fā)送條件至快速發(fā)射模式，即將發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)間間隔縮短到800ms，使駕駛者可以實(shí)時(shí)掌握輪胎狀態(tài)，及時(shí)采取防范措施。當(dāng)發(fā)射完成后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，以上基本流程如圖4(c)所示。如果系統(tǒng)被LF信號(hào)喚醒后，則首先對(duì)LF輸入的曼徹斯特編碼信號(hào)進(jìn)行譯碼，根據(jù)譯碼信息重新配置發(fā)射條件與數(shù)據(jù)檢測(cè)的時(shí)間間隔，也可以控制 TPMS 發(fā)射系統(tǒng) 的啟動(dòng)和暫停，如圖4(b)所示。

可低頻喚醒的TPMS發(fā)射系統(tǒng)具有低成本、低功耗、高集成度、具有雙向通信功能的特點(diǎn)，這使它比傳統(tǒng)TPMS更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著TPMS在中國(guó)的普及，該系統(tǒng)將具有較大的推廣價(jià)值。