基于射频芯片nRF905的汽车TPMS系统设计

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目前的TPMS(tire pressure monitoring system)主要分为两种类型，一种是间接式的，一种就是直接式的。而直接式的TPMS系统一直因其报警准确性差、在无线传输中受到轮毂的屏蔽电磁波和磁场的干扰而影响其进一步的发展。

本文以Nordic公司生产的射频芯片为基础，介绍了汽车TPMS系统的无线收发系统的电路设计与解决方案，从而对上述直接式的TPMS系统加以改进。
1 TPMS系统的设计
  
本文中提到的TPMS系统是通过射频信息的收发与相关信息的提示来完成的。在轮胎部分的主要有压力检测模块与射频发射模块，在驾驶员部分主要有射频接收模块和显示报警模块。
压力检测模块主要是实时的检测所测轮胎的压力数据，并将数据进行相应的变化存储到中心处理器上，等待射频发射模块进行发射。在射频接收模块接收到数据后对数据进行相应的处理并将数据在附件LCD上进行显示，并判断数据的安全性，在发现轮胎的压力超出了所能接受的范围后通过蜂鸣器进行报警提醒驾驶员。具体的工作原理图如图1所示。

2 无线收发芯片的比较与选择
由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的，正确的选择可减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，将产品更快推向市场。选择无线收发芯片时应考虑需要几点凶素：功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元器件数量、芯片成本、数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。
用来评价无线数据收发的几项重要指标有：接收灵敏度、动态范围、选择性、接收频率稳定度、发射输比功率、效率、发射频率范围、功耗等因素。下面对市场上的现阶段比较流行的三种无线收发芯片进行了相关的性能比较，如表1所列。

  
对照表1以及技术指标的表述，对于接收和发送数据，满足频段的范围越大，灵敏度越高，在相同条什下的接收电流越小，发射电流越大，所需外围器件越少等条件的收发芯片应用也就越广泛，并且可以适合于多种情况。
综合以上考虑，nRF905的优越性就很明显了，所以在本设计中选择nRF905是最适用的。

3 nRF905的简介
无线收发芯片nRF905是挪威Nordic公司推出的一款单片无线收发一体的芯片。nRF905足一款工作在433／868／915频段上的单片射频收发器，因为所使用的是国际上的ISM 频段，因此并没有所谓的频段限制。nRF905由完全集成的电源管理、频率合成器、调制接收器、功率放大器、晶体振荡器和调节器构成。nRF905具有ShockBurst特点，能够自动处理数据包中的前导码和CRC校验码。通过SPI接口，可以很容易地对nRF905的配置操作进行编程。nRF905的耗电量非常低。在发射模式下，以-10dBm的输出功率进行发射耗电最仅为11mA；同样的功率在接收模式下耗电量为12.5mA。而其POWERDOWN掉电模式下则可以更加省电。
3.1 nRF905的控制模式
nRF905有两种激活模式和两种省电模式。
激活模式包括ShockBurst RX接收模式和ShockBurst TX发射模式。省电模式包括PowerDown andSPI-programming掉电和SPI编程模式和Standby andSPI-programming待机和SPI编程模式。
TRX_CE、TX_EN和PWR的设置决定了模式的控制，具体的控制如表2所列。
3.2 单片机与nRF905的连接
nRF905与外界的通信通过一个SPI接口来进行，速率由微控制器设置的接口速度决定。在RX模式中，地址匹配(AM)和数据准备就绪(DR)信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成，微控制器即可通过SPI读取接收的数据。在TX模式中，无线通信模块自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪信号通知MCU数据传输已经完成。
这里采用的是ATMEL公司生产的与8051完全兼容的AT89S52系列单片机，因为要和模块进行通信，而对模块的控制郁是通过nRF905的SPI接口总线来进行的，因为AT89S52没有专门的SPI总线，因此在这里为了和nRF905的无线模块通信则采用单片机的I／O端口进行软件编程模拟SPI的时序来实现SPI接口。这里把用来进行模式控制的(TXEN、TRX_CE、PWR)管脚和SPI接口控制的(MISO、MOSI、SCK、CSN)管脚与单片机的P2端口对应相连，状态输出的(AM、DR、CD)管脚与单片机P3端口的2到4位相连，图2就是单片机与nRF905模块的简单的电路连接。

  
  
4 系统的软件设计
4.1 SPI接口检验
因为对nRF905的控制都是通过内置的SPI总线来进行的，所以在进行总的程序设计前必须确保单片机等操作系统能够通过I／O口的模拟SPI总线与nRF905内部进行通信。因此本系统设计了一个用来检验SPI接口的程序部分。因为nRF905模块内部有一个配置寄存器，可以通过SPI对其进行写数据和读数据的操作，比较前后结果是否一样还判断SPI操作的正确性。
如果通过程序操作所得到的数组数据与写入的数据完全相同的话，那么便可以说明进行此操作的nRF905模块的SPI接口一切均正常。
4.2 无线射频通信的程序设计
这个系统的重点部分就足无线射通信部分，当采集得到轮胎的压力后，是否能够快速的把数据进行传输是TPMS系统的是否能正常工作的前提和保证。
无线射频通信分为轮胎部位的发射部分和驾驶室的接收部分。
当nRF905模块进行发送操作时，其主控单元(本系统中为单片机)通过SPI接口把接收节点的地址和有效数据传送到nRF905模块。
发送模式的nRF905模块内部将完成：
(1) 无线系统自动上电；
(2) 数据包完成(加前导码和CRC校验码)：
(3) 数据包发送(100kbit／s、GFSK、曼彻斯特编码)。
为了保持系统通信的可靠性，本系统对nRF905的发射部分采用无线数据重发的工作原理，所以这里将TRX_CE设置为一直为高电平。具体的发射流程图如图3所示。


本系统中的接收部分的主要任务就是不断的检测空中的与本身射频频率相同的射频电磁波，当接收到电磁波后，对应的CD、AM、DR位按先后顺序分别置1，进而开始读写程序。
当开始检测空是的射频电磁波后，经过三个过程：
(1) 载波检测CD被置高；
(2) 地址匹配AM被置高；
(3) 数据准备就绪DR被置高。
DR的置高就意味着数据己经接收到并且保存到了nRF905模块的内部寄存器中，下面要做的工作就是在SPI接口操作模式下对nRF905模块进行一定速率的读数据，再将所有的数据都读写完毕后复位AM、DR位为零，以保证下次接收数据的正常进行，具体的接收流程图如图4所示。

  
5 实验与仿真
这里的nRF905与单片机的通信是通过SPI接口采用按位通信的方式来进行的，因此在接收的时候对SPI的对应管脚进行相应的波形测试应该呈现的是方波，通过电脑来模拟轮胎的压力传感器的传输数据，来观察波形为图5所示。
从图中可以看出，系统在进行通信的过程中完全正确，并且电磁波的强度很强，完全可以达到通信的目的。
在本系统设计中，采用了射频无线通信方式建立TPMS系统，实现了对汽车轮胎的压力与温度的实时检测。本系统采用了目前广泛流行的射频通信技术，并在此环境下进行可靠的数据传输，适应了今后短距离的通信发展趋势。系统整体可靠性高，稳定性好，成本低，利于移植，方便添加其他功能。如果能够得到真正的应用，那么市场前景将会很好。