直接式胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，美國(guó)每年有26萬(wàn)起交通事故是由于汽車輪胎氣壓低或滲漏造成的，美國(guó)運(yùn)輸部國(guó)家公路交通安全管理委員會(huì)（NHTSA）制定的法規(guī)中規(guī)定：2003年11月到2006年10月31日期間，美國(guó)新出廠的輕型汽車將逐步引入胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）?？梢姡琓PMS的研究和投產(chǎn)勢(shì)在必行。

胎壓的常用測(cè)試方法

目前，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為兩種類型：一種是Wheel-Speed Based TPMS（WSB TPMS，簡(jiǎn)稱間接式TPMS），另一種是Pressure-Sensor Based TPMS（PSB TPMS，簡(jiǎn)稱直接式TPMS）

1 WSB TPMS

間接式氣壓監(jiān)測(cè)的工作原理是:當(dāng)某輪胎的氣壓降低時(shí)，該輪的滾動(dòng)半徑將變小，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)速比其他車輪快。通過(guò)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的。間接式輪胎報(bào)警系統(tǒng)實(shí)際上是依靠計(jì)算輪胎滾動(dòng)半徑來(lái)對(duì)氣壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

a）數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊

b）數(shù)據(jù)接收、控制模塊

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 PSB TPMS

直接式氣壓檢測(cè)裝置是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行監(jiān)視及顯示，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。本系統(tǒng)采用直接式氣壓檢測(cè)方式。
依據(jù)上述工作原理，本系統(tǒng)包括5個(gè)模塊：4個(gè)用于輪胎內(nèi)的監(jiān)視模塊和一個(gè)用于車內(nèi)的接收模塊。監(jiān)視模塊又包括傳感器和發(fā)射模塊。

TPMS的硬件電路設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

TPMS采用了無(wú)線雙向通信方式對(duì)汽車輪胎的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。TPMS模塊通常在一節(jié)鋰電池下工作，工作時(shí)間為5～10年，因此節(jié)能是一個(gè)十分重要的課題，系統(tǒng)要求所選用的傳感器等芯片必須是低功耗的。

輪胎監(jiān)測(cè)模塊嵌入到輪胎內(nèi)部，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)輪胎內(nèi)部的氣壓和溫度狀況，并通過(guò)無(wú)線調(diào)制方式發(fā)送到主機(jī)顯示模塊，故輪胎監(jiān)測(cè)模塊主要包含傳感器、微控制器、UHF發(fā)射器以及供電電池。

2 測(cè)壓、測(cè)溫傳感器的選取

根據(jù)上述要求，選用GE公司的NPXⅡ（NPX-C01780）傳感器。NPXⅡ集成了硅壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低功耗8位RISC處理器以及一個(gè)低頻喚醒輸入級(jí)，滿足了系統(tǒng)各方面的性能要求。

此外，NPXⅡ的電源管理能夠使功耗最小化，待機(jī)靜態(tài)電流極低；并利用加速度傳感器靈活改進(jìn)控制和測(cè)量流程，進(jìn)一步節(jié)省能耗。NPXⅡ還具有極佳的輪胎介質(zhì)兼容性，可監(jiān)測(cè)450/700/900/1400kPa多種壓力范圍，并可定制量程。

3 TPMS發(fā)射接口電路設(shè)計(jì)

發(fā)射接口電路如圖2所示。無(wú)線電發(fā)送模塊MC33493可進(jìn)行OOK或FSK兩種調(diào)制，工作在300～450MHz頻段，采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，具有較小的發(fā)射功率，最大發(fā)射功率達(dá)  0.18mW。其數(shù)據(jù)速率可達(dá)9.6Kb/s，工作電壓為1.9～3.6V,功耗低，發(fā)射時(shí)電流為11.6mA，待機(jī)狀態(tài)電流僅為0.8μA(工作溫度在125℃)。

圖2 發(fā)射接口電路

4 TPMS接收接口電路設(shè)計(jì)

接收接口電路如圖3所示，MC33594是高溫集成UHF超高頻無(wú)線電接收模塊。該芯片的工作頻率為300～450MHz，電壓在4.5～5.5V范圍內(nèi)；接收靈敏度高達(dá)-103dBm。其最大的特點(diǎn)是帶有一串行外設(shè)接口（SPI）。通過(guò)SPI，它允許微控制器與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信。SPI接口使用四條線:串行時(shí)鐘線（SCK），主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO，主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線RESET。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收接口電路

TPMS軟件流程

圖4給出了接收模塊的接收程序流程圖，接通電源后，接收機(jī)先后進(jìn)行初始化和配置。一旦確認(rèn)接收機(jī)配置完成，所有的LED就閃爍一次告知使用者模塊準(zhǔn)備就緒。在收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，就要重新計(jì)算校驗(yàn)并與己經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)確認(rèn)后，某個(gè)輪胎和ID則要與存儲(chǔ)在KX8存儲(chǔ)器中的4個(gè)ID值比較。如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)相配的ID，則數(shù)據(jù)就被處理并點(diǎn)亮相應(yīng)的LED。最后，數(shù)據(jù)幀通過(guò)串行口發(fā)送出去以供外部數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)。

圖4 接收模塊流程圖

結(jié)論

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理緊湊，成本低廉。監(jiān)視模塊可以工作在-40～125℃的溫度范圍，0～450kPa的壓力范圍。采用FSK調(diào)制傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，靈敏度優(yōu)于-100dbm。系統(tǒng)具有輪胎氣壓過(guò)高預(yù)警功能、欠壓預(yù)警功能、漏氣預(yù)警功能和溫升過(guò)快預(yù)警等功能。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均符合NHTSA制定的基本要求，運(yùn)行狀況良好。