基于ZigBee技術的新型TPMS設計

汽車輪胎壓力監視系統(TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓進行自動檢測，并對胎壓異常情況進行報警的預警系統。本文結合ZigBee技術的低成本、低功耗、設備地址唯一等優點，將輪胎內部安裝的壓力、溫度傳感器組成一個微型ZigBee網絡。

監測網絡總體設計
ZigBee技術是新興的一種近距離、低成本、低功耗、低數據速率的無線通信技術。它基于IEEE 802.15.4協議標準，主要工作在免授權的2.4GHz頻段，數據速率為20～250Kb/s，最大傳輸范圍在10～75m。ZigBee網絡中定義了兩種物理設備類型:全功能設備 (FFD)和精簡功能設備 (RFD)。其中，FFD支持任何拓撲結構，可以充當網絡協調器，能和任何設備通信；RFD不能完成網絡協調器功能，且只能與FFD通信，兩個RFD之間不能通信，但它的內部電路比FFD少，因此實現相對簡單，也更利于節能。

直接式TPMS系統利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，通過無線或者有線的方式將數據傳到安裝在駕駛臺的監視器上，監視器實時顯示各個輪胎的狀況，一旦出現異常，系統就會自動報警以提醒司機進行及時處理。本監測網絡就是一種直接式TPMS系統。

ZigBee監測網絡原理框圖如圖1所示，該監測網絡包括四個輪胎監測器和一個車載監視器。工作原理：四個輪胎監測器是RFD網絡節點，安裝在輪轂上，能實時檢測輪胎內的溫度和壓力值并發送到車載監視器顯示；駕駛員也可以通過車載監視器主動訪問各個輪胎的氣壓狀態。車載監視器是FFD設備，充當網絡協調器，通過無線方式接受各輪胎的壓力、溫度和監測器狀態，并通過顯示設備進行實時顯示或聲光報警。由一個FFD網絡協調器和四個RFD終端節點共同組成一個星型拓撲結構的微型ZigBee胎壓監測網絡，射頻方式符合IEEE 802.15.4協議標準。

圖1 監測網絡原理框圖

監測網絡硬件方案設計
該監測網絡中包括兩種硬件模塊：輪胎監測器和車載監視器。基于ZigBee技術的原理和特點，本文以Chipcon公司的系統級芯片CC2430為核心，設計了輪胎監測器和車載監視器的硬件電路，如圖2所示。

a) 輪胎監測器

b) 車載監視器

圖2 硬件模塊框圖

1 射頻處理芯片選型
射頻處理單元是無線輪胎監測器模塊的核心部分。由于輪胎監測器安裝在輪轂上，采用能量有限的鋰電池供電，因此射頻處理芯片需具有以下特點：功耗低、體積小、支持IEEE 802.15.4標準。

根據以上特點，并經過分析比較，最終選用了CC2430這款系統級芯片。CC2430是Chipcon公司生產的2.4GHz射頻芯片，符合IEEE 802.15.4標準，傳輸速率最高250Kb/s，采用具有內嵌閃存的0.18μm CMOS標準技術，休眠模式功耗僅0.9μA，集8051內核與無線收發模塊于一體，簡化了電路的設計，且尺寸只有7mm×7mm。

2 壓力溫度傳感器選型
汽車輪胎特殊的工作環境，決定了胎壓監測傳感器的高要求，即低功耗、寬溫區、寬電源電壓范圍內較高的精度和可靠性。本設計選用了Infineon公司的硅壓阻式壓力傳感器SP12，其工作電壓1.8～3.6V，具有壓力范圍100～450kPa、溫度范圍-40℃～125℃的測量能力。

3 車載監視器設計
如圖2所示，車載監視器同樣以CC2430為核心，負責射頻數據的收發、顯示和報警。顯示屏為定制的LCD字符型段碼屏，通過I/O口模擬I2C與單片機通信，屏上有左前輪、左后輪、右前輪、右后輪以及溫度超限、氣壓低、氣壓高等可視化圖標，再配合蜂鳴器和發光二極管，非常方便駕駛員對輪胎運行狀態的掌控。三向鍵作為一個人機交互的窗口，可通過手動操作查看特定輪胎的運行狀態，或設置溫度、氣壓報警門限值。因為車載監視器采用汽車電源供電，因而低功耗設計上的考慮可相對少一些。

4 電路抗干擾措施
由于是高頻電路，克服器件的相互干擾尤為重要，為保證系統長期穩定、可靠的運行，建議在電路設計中采取以下措施。

● 采用四層PCB，頂層主要走信號線，頂層下面依次是是地平面層、電源平面層和底層，為防止高頻信號的輻射和串擾，應盡量縮小信號回路面積，同時采用多點接地，降低接地阻抗。

● CC2430芯片底部必須采用少量過孔與地相連，保證芯片體可靠接地。

● 去耦電容必須盡可能靠近3V和1.8V電源引腳，并且電容接地端通過過孔就近接地，去耦電容的充放電作用使集成芯片得到的供電電壓比較平穩，減少了電壓振蕩現象。

● 芯片外圍器件的尺寸應盡可能的小，建議使用0402規格的阻容器件。

● 將CC2430和SP12未用的信號輸入引腳通過一個10kΩ電阻上拉到高電平或下拉到低電平，因為開路的輸入端有很高的輸入阻抗，很容易受外界的電磁干擾使懸浮電平有時處于“1”，有時處于“1”到“0”的過渡狀態，易引起邏輯電路的誤導通。

監測網絡軟件方案設計
對于胎壓監測網絡的軟件設計，有以下三個關鍵技術需要解決。

1 如何識別輪胎
為降低數據幀的長度，降低功耗，本設計沒有采用IEEE 802.15.4規定的標準幀格式，而是對其進行了簡化，如表1所示。在胎壓監測ZigBee網絡中，四個輪胎監測器的地址分別為0x01、0x02、0x03、0x04，車載監視器的地址設為0x88。當車載監視器接收到一幀數據后，只需根據源地址域的內容即可判斷是哪一個輪胎的檢測數據。