TPMS方案设计及芯片选择

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1、前言
          轮胎压力监测系统(TPMS -Tire pressure monitoring system)对于提高汽车安全性有举足轻重的影响，当今世界己有不少国家高速公路安全协会因此立法强制实施TPMS。而低功耗、在恶劣环境下高度运行的 可靠性、较小的压力传感器误差容限，以及更长的工作寿命等是TPMS的主要要求，于是方案的设计和芯片的选择也围绕这个要求进行。
           
          1.1目前TPMS主要有三种实现方式
          直 接TPMS系统、间接TPMS系统和正在推出的混合TPMS。但是，间接TPMS有一定的局限性，采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因 子。直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后，这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析，分析结果 将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同，它可以显示每个轮胎的实际气压，甚至还包括备用轮胎的气 压。因此，直接TPMS可以连接至显示器，告诉司机哪个轮胎充气不足。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到 7kPa--1.0psi的压降。为满足多轮压力检测要求，由于系统安装了直接气压传感器，混合TPMS能够克服常规直接TPMS的局限性，它们能够检测 到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎，当所有4个轮胎都处于低压状态时，系统也可以检测到故障。
           
          1.2下一代新型系统，就是将集成车轮模块所需的感应功能和发射功能。
          这 就意味着，MCU、传感器和射频发射器都被封装在一起。与现有的产品相比较它集成了气压传感器、加速度传感器、温度传感器、搭载片上闪存的8051微处理 器、低频接收器接口以及315/433/868/915MHz射频发射器。除减少组件数量外，它还可以降低系统总体成本，因为板卡设计更加简单，尺寸更 小。而另外一项重要的设计挑战来自于无线控制，第一代TPMS发送器的设计采用SAW共振器的ASK调制技术来产生适当的发射频率。该 ASK系统虽然非常廉价，但却容易受到由于车轮(发送器安装在其上)旋转所导致的接收场强变化的影响。出于这一原因，现在的TPMS都采用基于晶体振荡器 的FSK调制方法和PLL合成器来产生中心频率和频率牵引。
           
          值此本文将以基于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的方案为例作分析，并对用于TPMS新型芯片作介绍。
           
          2、基于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的设计方案
          为 实现长期(≥10年)使用寿命这一目标，必须使用低功耗集成化部件。电源管理因此成为首要的挑战。也就是说TPMS面临的主要问题是在有限的能源下能有较 长的使用寿命。可以通过采用低功耗的压力传感器、分析测量所得数据并结合车辆实际情况(熄火或运行)来改变监控系统的工作方式及高效的数据采集控制算法等 方法来降低整个系统的功耗。
           
          由于将研讨LIN总线应用于TPMS，并用MCU、RF和传感器实现TPMS见图1直接式基于LIN总线的 TPMS方案示意图。而实用 TPMS示意的轮胎气压监测系统，是由与轮胎阀一体的4个讯号发射器、收讯天线、收讯器及讯号显示仪四类部件组成的。为此有必要先对汽车应用的LIN总线 有关技术作介绍。
           
                     
          2.1关于汽车应用的LIN总线技术
          2.11LIN总线LIN总线的主要特征为API到物理层的结构
          针 对汽车应用的LIN 1.0(本地互连网络)和LIN 2.0总线系统，它的目标是低成本应用，除了TPMS外还有电动门、电动窗、侧镜、雨刮器、座椅安全带报警、外部照明等。LIN总线的传输速度最大为 20kbps，而且它在单通道总线环路中最多能支持16个节点，总线电缆的长度最多可以扩展到40米。LIN足一种基于通用SCI(UART)字节接口的 单线串行通讯为协议。图2(a)框图所示为LIN总线API到物理层的结构。而LIN总线的主要特征为：—个主节点、多个从节点的概念，无需总线仲裁;低 成本：基于普通UART/SCI接口硬件;自同步，在从节点中不用晶体振荡器或陶瓷振荡器时钟;保证信号传输的延迟时间;低成本单线实现连接;速度高达 20kbps;基于应用交互作用的信号;LIN总线的驱动/接收器规范遵从IS09141标准。
           
                     
          2.12LIN拓扑结构
          LIN 采用单主机多从机模式，一个LIN网络包括一个主机节点和若干个从机节点。(由于过多节点将导致网络阻抗过低，一个L1N网络中节点总数不宜超过16。) 主机节点既包括主机任务也包括从机任务，从机节点都只包括从机任务，如图2(b)为LIN拓扑结构示意图。主机节点也可以通过网关和其他总线如CAN连 接。
           
          2.2 于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的系统设计
          图1描述了基于L1N总线的TPMS总体结 构，其中中央控制器的功能主要有三：通过LIN总线通知LIN从节点唤醒相应轮胎内的发送模块;通过LIN总线返回LIN从节点接收到的轮胎压力等数据; 分析、显示已及声光报警。当LIN从节点接收到LIN 主节点发出的唤醒命令时，该节点会向发送模块发出LF唤醒信号，让其进入工作状态。LIN主节点Master向LIN从节点发送获取命令帧，LIN从节点 把数据通过LIN总线反馈给LIN主节点(主控)。
           
          2.21轮胎内压力传感IC与发送IC合成的模块与芯片选择
          *轮胎内的压力传感IC与发送IC合成的模块
          由 于轮胎内的压力传感IC与发送IC合成的模块都放在轮胎内，所以对IC的要求特别高，一般有如下要求：工作温度-40℃—125℃，短时间内达150℃; 低功耗来保持电池寿命;能承受2000G(250kmh轮胎转动时的离心力;传感器能保持长期的稳定;IC体积少，重量轻;带有压力与温度和电压检测。图 3左虚线框是基于轮胎内的压力传感IC与发送IC合成的模块示意结构图。其中压力传感器IC是一款集成了压力、温度、电压检测传感器、LF、MCU的 IC。而发送IC是RF发射芯片系列。
           

        *压力传感IC与发送IC合成的模块芯片选择及特征
       

         
        图3左虚线框为轮胎内的压力传感器IC和发送IC为freescale公司的Mpxy8020A6或Mpxy8040A芯片和 MC68HC90RF2芯片。 Mpxy8020A6它内含压力传感器、温度传感器、电源控制和电池电压检测，唤醒功能的定时器，属表面微机械CMOS加工工艺，SSOP封装;而UHF 发送器+MCU(Flash)的MC68HC90RF2内含为2K用户FLash ROM，定时器，集成的射频(RF)发送器，低电压检测和RAM及内部时钟发生器。则整个图3左虚线框为Mpxy8020A6A与MC68HC90RF2 合成的遥测模块示意图。其图3右侧MC33591为UHF接收器内含锁相环(PLL)超高频开关键控(00K)接收器;MC912DP256 接收端控制器内含256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作须频率。
           
          当 然轮胎内的传感器IC也可以选择Melexis公司的MLX90603芯片。MLX90603它内部有16bit RISCMCU，8K byte Flash，256 byte RAM和128 byte EEPROM。MLX90603还有125KHz或13.56MHz LFinterface和压力传感器的补偿接口(sensor interface)在IC内。最大的特点是它有不同的工作模式Shelf mode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和适合RFID、RF应用的TDMA(Tag Direct Memory Access)mode，。这些都为降低发射端功耗、延长电池使用寿命提供了最大的可能性。在发射IC方面，Melexis有不同频率和调制的IC和汽车 级IC(工作温度-40℃-125℃)，如315MHz，433MHz，868MHz和915MHz等ISM band频段，IC FSK，ASK和FM等不同调制IC，可在1.85V-5.5V宽电压范围内工作，并且发射功率可在-12dBm--+10dBm范围内调节。
           
          2.22接收模块与芯片选择
          其 图3右侧MC33591为UHF接收器内含锁相环(PLL)超高频开关键控(00K)接收器;MC912DP256接收端控制器内含 256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作须频率。当然对于接收模块处于LIN网络的主节点即中央控制器，见图1所示。也可选择MLX82001 ， 该芯片是一个6位的、集成了LIN2.0并带有增强型UART的MCU;从节点可选择MLX81100集成了双任务CPU和LIN收发器，是专门为LIN 总线应用设计的MCU。
           
          2.3 TPMS系统软件设计考虑
          在设计一个运行稳定、功效高的系统时，需要考虑的第一个因素就是 软件。因为车轮模块通常是用微控制器来执行命令的，所以应采用一种智能化算法实现预期的功效。其次，使用低频功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用 低频接口时，感应模块可以始终处于电源关闭模式，只有在收到唤醒信号后，传感器才会进行测量和数据传输。除了降低功耗以外，低频接口还具备设计灵活性和其 他一些优势。例如，低频通讯可使系统通过低频接口向微控制器发送特定命令，以对轮胎进行重新校准和定位。值此以MLX90603带有LF(Low Frequency)接口为例的发送模块软件设计方案作一说明。MLX90603带有LF(Low Frequency)接口，因此可以在大部分时间内将发射端处于休眠模式，需要时通过低频信号将其唤醒，进而进行测量并通过TH720x发射芯片将测量得 到的数据发送给相应的LIN从节点。图4是发射端的部分流程图。本方案中，充分利用了MLX90603 中集成的TDMA(Tag Direct Memory Access)模块，在MLX90603采集完数据后，配置TDMA、RF所需的寄存器，即可将MLX90603进入Sleep mode，利用TDMA模块自动把要发射的数据传输给RF，以充分节省功耗。由于发射端工作在恶劣环境下，为了保证发送端和接收端进行可靠的数据传输，考 虑到本应用信息量小、数据简单的特点，我们采用信息冗余的方法来保证数据的可靠接收，即一帧数据发送N次。根据采集到的数据动态调整发送次数N。
           
                     
          3、新型送器(遥控钥匙)与接收器中几种芯片的选用
          3.1 MAX1473接收器与MAX7044发送器的选用
          而 RF接收器器件 MAX1473是最新的300MHz至450MHzASK射频接收器平均灵敏度为-114dBm，正常工作仅消耗5.5mA(典型值)的电流。内置镜频抑 制，无需通常使用的前端SAW滤波器。睡眠模式时，MAXl473可在小于250ps的时间内启动并发送数据，保证了更深的睡眠周期和更长的电池寿命 MAX1473可工作于3V至5V的电源电压。
           
          而发送器中的MAX7044器件是可输出+3dBmASK信号的发送器，采用微型的8引脚SOT封装，采用占空比为50%的编码方式时，如曼彻斯特码，仅需消耗7.7mA的电流。MAX7044可使用电压低至2.1V的单个锂电池供电。
           
          而 RF接收器器件 MAX1473是最新的300MHz至450MHzASK(振幅变换调制)射频接收器平均灵敏度为-114dBm，正常工作仅消耗5.5mA(典型值)的 电流。内置镜频抑制，无需通常使用的前端SAW滤波器。睡眠模式时，MAX1473可在小于250ps的时间内启动并发送数据，保证了更深的睡眠周期和更 长的电池寿命MAX1473可工作于3V至5V的电源电压。该300MHz至450MHz发送器和接收器的最大优点是能将你的RKE系统有效距离扩大一倍 理想应用子电池供电设备，包括钥匙，汽车报警和胎压检测。
           
          该300MHz至450MHz发送器和接收器的最大优点是能将你的RKE系统有效距离扩大一倍(即控制范围超过两倍)是理想应用于电池供电设备，胎压检测的选择也包括钥匙，汽车报警。
           
          3.2双通道接收器同时捕捉两种信号的MAX1471结构方框与应用
          使用MA1471双通道接收器同时捕捉两种信号，即能同时接收ASK和FSK(频率变换数据)，模式间切换时间为零。针对同时需要对 ASK和FSK解码的低成本系统设计，MAXl471双模接收器还可进行自轮询，器件可保持长达8分钟的睡眠模式，并可唤醒微处理器，以进一步节省能源。max1471工作于300MHz至450MHz，包括内置的42dB(兆型值)镜频抑制混频器，不需常见的SAW滤波器。MAXl471内置一个可用于 3.3V或5V的稳压器，可在低至2.4V的电压下工作。图5为MAX1471结构方框与应用示意图，从图中表看出MAX1471也可用于汽车轮胎压力监 视系统中接收器。
           
                     
          4、结束语
          上述新型系信统与芯片的分析介绍，采用分布式结构的TPMS，其特点是，控制灵活，比较适合应用于前装市场。而将LIN总线应用于TPMS的优势是为每个轮胎跟接收器比较接近，因此会大大节省每个发射器的功率，延长系统的使用寿命。