汽車輪胎壓力檢測系統技術和應用芯片

當今世界已有不少國家高速公路安全協會立法強制實施，輪胎壓力監測系統TPMS(Trie pressuremonitoring system)，對于提高汽車安全性帶有舉足輕重的影響，而其低功耗、惡劣環境下長期運行的可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限以及更長的工作壽命等是TPMS的重點要求，因此其方案的設計和芯片選擇也圍繞這些要求進行。

目前TPMS主要有三種實現方式，即直接TPMS系統、間接TPMS系統和正在推出的混合TPMS。但是，間接TPMS有一定的局限性。直接TPMS采用固定在每個車輪中的壓力傳感器直接測量每個輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會通過發送器將胎壓數據發送到中央微處理器進行分析，分析結果將被傳送至安裝在車內的顯示器上。顯示器的類型和當今大多數車輛上裝配的簡單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個輪胎的實際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣壓。因此，直包括從機任務，接TPMS可以連接至顯示器。告訴司機哪個輪胎充氣不足，并可檢測到較小的氣壓降。為滿足多輪胎壓力檢測要求，由于系統安裝了直接氣壓傳感器，則混合TPMS能夠克服常規直接TPMS的局限性，它們能夠檢測到在同一個車軸或車輛同一側的兩個處于低壓狀態的輪胎．當所有4個輪胎都處于低壓狀態時，系統也可以檢測到故障。

這就意味著，MCU、傳感器和射頻發射器都被封裝在一起。與現有的產品相比較它集成了氣壓傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、搭載片上閃存的8051微處理器、低頻接收器接口以及315／433／868／91．5MHz射頻發射器。除減少組件數量外，它還可以降低系統總體成本，因為板卡設計更加簡單，尺寸更小。而另外一項重要的設計挑戰來自于無線控制，第一代TPMS發送器的設計采用SAW共振器的ASK調制技術來產節點發出的喚醒命令時．該生適當的發射頻率。現在的TPMS都采用基于晶體振蕩器的FSK調制方法和PLL合成器來產生中心頻率和頻率牽引。

本文以基于LIN總線分布式實時輪胎壓力監測系統的方案為例作分析，并對用于TPMS的新型芯片作介紹。

一、 基于LIN總線分布式的實時輪胎壓力監測系統設計方案

為實現長期(≥10年)便用壽命這一目標，必須使用低功耗集成化部件，且其電源成為首要的挑戰(在有限的能源下能有較長的使用壽命)。這些都可以通過采用低功耗的壓力傳感器、分析測量所得數據并結合車輛實際情況(熄火或運行)來改變監控系統的工作方式及高效的數據采集控制算法等方法來降低整個系統的功耗。

用MCU、RF和傳感器實現直接式TPMS系統，其基于LIN總線的TPMS方案示意圖見圖1。

而實用TPMS示意的輪胎氣壓監測系統，是由與輪胎閥一體的4個訊號發射器、收訊天線、收訊器及訊號顯示儀組成的。為此有必要先對汽車應用的LIN總線有關技術作介紹。

1．關于汽車應用的LIN總線技術

(1)LIN總線的主要特征。針對汽車應用的LIN1.0(本地互連網絡)和LIN2.0總線系統，它的目標是低成本應用。除了TPMS外，還有電動門、電動窗、側鏡、雨刮器、座椅安全帶報警、外部照明等。LIN總線的傳輸速度最大為20kbps，而且它在單通道總線環路中最多能支持16個節點，總線電纜的長度最多可以擴展到40米。LIN總線是一種基于通用SCI(UART)字節接口的單線串行通訊協議。圖2(a)為UN總線API到物理層的結構框圖。而LIN總線的主要特征為：一個主節的點、多個從節點的概念，無需總線仲裁；低成本：基于普通UART／SCI接口硬件；自同步，在從節點中不用晶體振蕩器或陶瓷振蕩器時鐘；保證信號傳輸的延遲時間；低成本單線實現連接；速度高達20kbps；基于應用交互作用的信號：LIN總線的驅動／接收器規范遵從IS09141標準。

(2)LIN拓撲結構。LIN采用單主機、多從機模式，一個LIN網絡包括一個主機節點和若干個從機節點(由于過多節點將導致網絡阻抗過低，一個LIN網絡中節點總數不宜超過16)。主機節點既包括主機任務也從機節點卻只包括從機任務。圖2(b)為LIN拓撲結構示意圖。主機節點也可以通過網關和其他總線如CAN連接。

2．基于LIN總線分布式的實時輪胎壓力監測系統設計

圖l描述了基于LIN總線的TPMS總體結構。其中，中央控制器的功能主要有三：即，通過LIN總線通知LIN從節點喚醒相應輪胎內的發送模塊；通過LIN總線返回LIN從節點接收到的輪胎壓力等數據；分析、顯示以及聲光報瞽。當LIN從節點接收到LIN主節點會向發送模塊發出LF喚醒信號，讓其進大工作狀態。LIN主節點Master向LIN從節點發送獲取命令幀,LIN從節點把數據通過LIN總線反饋給LIN主節點(主控)。

(1)輪胎內壓力傳感IC與發送IC合成的模塊與芯片選擇 1)模塊選擇：

由于輪胎內的壓力傳感IC與發送IC合成的模塊都放在輪胎內，所以對IC的要求特別高．一般有如下要求：工作溫度：-40℃～125℃(短時間內達150℃)；低功耗來保持電池壽命；能承受2000G(250km／h)輪胎轉動時的離心力；傳感器能保持長期的穩定；IC體積小，重量輕；帶有壓力與溫度和電壓檢測。

其中壓力傳感器IC是一款集成了壓力、溫度、電壓檢測傳感器、LF、MCU的IC。而發送IC是RF發射芯片系列。

2)芯片選擇及特征

圖3左虛線框內為輪胎內的壓力傳感器IC和發送IC。它們是freeseale公司的Mpxy8020A6(或Mpxy8040A)芯片和MC68HC90RF2芯片。Mpxy8020A6它內含壓力傳感器、溫度傳感器、電源控制和電池電壓檢測，喚醒功能的定時器(屬表面微機械CMOS加工工藝，SSOP封裝)；而UHF發送器+MCU(Flash)的MC68HC90RF2內含為2kB用戶FLashROM、定時器、集成的射頻(Rn發送器、低壓檢測和RAM及內部時鐘發生器。整個圖3左虛線框為Mpxy8020A6A與MC68HC90RF2合成的遙測模塊示意圖。圖3右側MC33591為UHF接收器，它內含鎖相環(PLL)超高頻開關鍵控(OOK)接收器；MC912DP256接收端控制器內含256kB Flash、12kB RAM、4kB EEP ROM、up to 5CAN、1xJ1850、256MHz工作頻率。

當然輪胎內的傳感器IC也可以選擇Melexis公司的MLx90603芯片。MLx90603最大的特點是有不同的工作模式Shelfmode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和適合RFID、RF應用的TDMArrag Direct Mem．ory Access)mode。這些都為降低發射端功耗、延長電池使用壽命提供了最大的可能性。在發射IC方面。Melexis公司有不同頻率和調制的lC和汽車級IC(1作溫度-40℃～125℃)，如315MHz、433MHz、868MHz和915MHz等ISM band頻段：IC FSK、ASK和FM等不同調制IC，可在1.85V～5.5V寬電壓范圍內工作，并且發射功率可在－12dBm～+10dBm范圍內調節。

(2)接收模塊與芯片選擇

對于接收模塊處于LIN網絡的主節點即中央控制器，見圖1所示。也可選擇MLX82001，該芯片專門為UN總線應用設計的MCU。

3．TPMS系統軟件設計思路

在設計一個運行穩定、功效高的TPMS系統時需要考慮的第一個因素就是軟件。因為車輪模塊通常是用微控制器來執行命令的。所以應采用一種智能化算法實現預期的功效。其次，使用低頻功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用低頻接口時，感應模塊可以始終處于電源關閉模式，只有在收到喚醒信號后，傳感器才會進行測量和數據傳輸。除了降低功耗以外，低頻接口還具備沒計靈活性和其他一些優勢。例如，低頻通訊可使系統通過低頻接口向微控制器發送特定命令。以對輪胎進行重新校準和定位。在此以MLX90603帶有LF(Low Frequency)接口為例的發送模塊軟件設計方案作一說明。MLX90603帶有LF(LowFrequeney)接口。因此可以在大部分時間內將發射端處于休眠模式，需要時通過低頻信號將其喚醒,進而進行測量并通過TH720x發射芯片將測量得到的數據發送給相應的LIN從節點。圖4是發射端的部分流程圖。

本方案中，充分利用了MLX90603中集成的TDMA(Tag.Direct Memory Access)模塊．在MLX90603采集完數據后，配置TDMA、RF所需的寄存器，即可將MLX90603進入Sleep mode，利用TDMA模塊自動把要發射的數據傳輸給RF，以充分節省功耗。由于發射工作在惡劣環境下，為了保證發送端和接收端進行可靠的數據傳輸。考慮到本應用信息量小、數據簡單的特點，我們采用信息冗余的方法來保證數據的可靠接收(即一幀數據發送N次)。根據采集到的數據動態調整發送次數N。

二、新型發送器(遙控鑰匙)與接收器中幾種芯片的選用

1．MAX1473接收器與MAX7044發送器的選用

RF接收器器件(MAX1473)是最新的300MHz至450MHz ASK(振幅變換調制)射頻接收器(平均靈敏度為-114dBm)，正常工作僅消耗5.5mA(典型值)的電流。內置鏡頻抑制，無需通常使用的前端SAW濾波器。睡眠模式時，MAX1473可在小于250ps的時間內啟動并發送數據，以保證更深的睡眠周期和更長的電池壽命。MAXl473可工作于3V至5V的電源電壓。

發送器中的MAX7044器件是可輸出+3dBm ASK信號的發送器，采用微型的8引腳SOT封裝。采用占空比為50％的編碼方式時(如曼徹斯特碼)，僅需消耗7.7mA的電流。MAX7044可使用電壓低至2.1V的單個鋰電池供電。

MAX7044數據資料：http://m.1cnz.cn/soft/39/2008/200808197393.html

2．雙通道接收器同時捕捉兩種信號的MAX1471結構框圖與應用

使用MAX1471雙通道接收器(見圖5)同時捕捉兩種信號，即能同時接收ASK和FSK(頻率變換數據)，模式間切換時間為零。針對同時需要對ASK和FSK解碼的低成本系統設計，MAX1471雙模接收器還可進行自輪詢，且器件可保持長達8分鐘的睡眠模式，并可喚醒微處理器，以進一步節省能源。MAX1471內置一個可用于3.3V或5V的穩壓器，故可工作在2.4V。

從圖中看出MAX1471也可用在汽車輪胎壓力監視系統中的接收器。