TPMS方案設(shè)計(jì)及芯片選擇

1、前言

輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS -Tire pressure monitoring system)對(duì)于提高汽車安全性有舉足輕重的影響，當(dāng)今世界己有不少國(guó)家高速公路安全協(xié)會(huì)因此立法強(qiáng)制實(shí)施TPMS。而低功耗、在惡劣環(huán)境下高度運(yùn)行的 可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限，以及更長(zhǎng)的工作壽命等是TPMS的主要要求，于是方案的設(shè)計(jì)和芯片的選擇也圍繞這個(gè)要求進(jìn)行。

1.1目前TPMS主要有三種實(shí)現(xiàn)方式

直 接TPMS系統(tǒng)、間接TPMS系統(tǒng)和正在推出的混合TPMS。但是，間接TPMS有一定的局限性，采用間接方法進(jìn)行檢測(cè)在很大程度上依賴于輪胎和負(fù)載因 子。直接TPMS采用固定在每個(gè)車輪中的壓力傳感器直接測(cè)量每個(gè)輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會(huì)通過(guò)發(fā)送器將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央接收器進(jìn)行分析，分析結(jié)果 將被傳送至安裝在車內(nèi)的顯示器上。顯示器的類型和當(dāng)今大多數(shù)車輛上裝配的簡(jiǎn)單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個(gè)輪胎的實(shí)際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣 壓。因此，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機(jī)哪個(gè)輪胎充氣不足。直接TPMS也可檢測(cè)到較小的壓降。有些系統(tǒng)甚至可以檢測(cè)到 7kPa--1.0psi的壓降。為滿足多輪壓力檢測(cè)要求，由于系統(tǒng)安裝了直接氣壓傳感器，混合TPMS能夠克服常規(guī)直接TPMS的局限性，它們能夠檢測(cè) 到在同一個(gè)車軸或車輛同一側(cè)的兩個(gè)處于低壓狀態(tài)的輪胎，當(dāng)所有4個(gè)輪胎都處于低壓狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)也可以檢測(cè)到故障。

1.2下一代新型系統(tǒng)，就是將集成車輪模塊所需的感應(yīng)功能和發(fā)射功能。

這 就意味著，MCU、傳感器和射頻發(fā)射器都被封裝在一起。與現(xiàn)有的產(chǎn)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315/433/868/915MHz射頻發(fā)射器。除減少組件數(shù)量外，它還可以降低系統(tǒng)總體成本，因?yàn)榘蹇ㄔO(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，尺寸更 小。而另外一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)來(lái)自于無(wú)線控制，第一代TPMS發(fā)送器的設(shè)計(jì)采用SAW共振器的ASK調(diào)制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)陌l(fā)射頻率。該 ASK系統(tǒng)雖然非常廉價(jià)，但卻容易受到由于車輪(發(fā)送器安裝在其上)旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的接收?qǐng)鰪?qiáng)變化的影響。出于這一原因，現(xiàn)在的TPMS都采用基于晶體振蕩器 的FSK調(diào)制方法和PLL合成器來(lái)產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。

值此本文將以基于LIN總線分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案為例作分析，并對(duì)用于TPMS新型芯片作介紹。

2、基于LIN總線分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

為 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期(≥10年)使用壽命這一目標(biāo)，必須使用低功耗集成化部件。電源管理因此成為首要的挑戰(zhàn)。也就是說(shuō)TPMS面臨的主要問(wèn)題是在有限的能源下能有較 長(zhǎng)的使用壽命?？梢酝ㄟ^(guò)采用低功耗的壓力傳感器、分析測(cè)量所得數(shù)據(jù)并結(jié)合車輛實(shí)際情況(熄火或運(yùn)行)來(lái)改變監(jiān)控系統(tǒng)的工作方式及高效的數(shù)據(jù)采集控制算法等 方法來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

由于將研討LIN總線應(yīng)用于TPMS，并用MCU、RF和傳感器實(shí)現(xiàn)TPMS見(jiàn)圖1直接式基于LIN總線的 TPMS方案示意圖。而實(shí)用 TPMS示意的輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是由與輪胎閥一體的4個(gè)訊號(hào)發(fā)射器、收訊天線、收訊器及訊號(hào)顯示儀四類部件組成的。為此有必要先對(duì)汽車應(yīng)用的LIN總線 有關(guān)技術(shù)作介紹。

2.1關(guān)于汽車應(yīng)用的LIN總線技術(shù)

2.11LIN總線LIN總線的主要特征為API到物理層的結(jié)構(gòu)

針 對(duì)汽車應(yīng)用的LIN 1.0(本地互連網(wǎng)絡(luò))和LIN 2.0總線系統(tǒng)，它的目標(biāo)是低成本應(yīng)用，除了TPMS外還有電動(dòng)門(mén)、電動(dòng)窗、側(cè)鏡、雨刮器、座椅安全帶報(bào)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(huán)路中最多能支持16個(gè)節(jié)點(diǎn)，總線電纜的長(zhǎng)度最多可以擴(kuò)展到40米。LIN足一種基于通用SCI(UART)字節(jié)接口的 單線串行通訊為協(xié)議。圖2(a)框圖所示為L(zhǎng)IN總線API到物理層的結(jié)構(gòu)。而LIN總線的主要特征為：—個(gè)主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的概念，無(wú)需總線仲裁;低 成本：基于普通UART/SCI接口硬件;自同步，在從節(jié)點(diǎn)中不用晶體振蕩器或陶瓷振蕩器時(shí)鐘;保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間;低成本單線實(shí)現(xiàn)連接;速度高達(dá) 20kbps;基于應(yīng)用交互作用的信號(hào);LIN總線的驅(qū)動(dòng)/接收器規(guī)范遵從IS09141標(biāo)準(zhǔn)。

2.12LIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LIN 采用單主機(jī)多從機(jī)模式，一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)。(由于過(guò)多節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻抗過(guò)低，一個(gè)L1N網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)不宜超過(guò)16。) 主機(jī)節(jié)點(diǎn)既包括主機(jī)任務(wù)也包括從機(jī)任務(wù)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)都只包括從機(jī)任務(wù)，如圖2(b)為L(zhǎng)IN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。主機(jī)節(jié)點(diǎn)也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和其他總線如CAN連 接。

2.2 于LIN總線分布式實(shí)時(shí)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1描述了基于L1N總線的TPMS總體結(jié) 構(gòu)，其中中央控制器的功能主要有三：通過(guò)LIN總線通知LIN從節(jié)點(diǎn)喚醒相應(yīng)輪胎內(nèi)的發(fā)送模塊;通過(guò)LIN總線返回LIN從節(jié)點(diǎn)接收到的輪胎壓力等數(shù)據(jù); 分析、顯示已及聲光報(bào)警。當(dāng)LIN從節(jié)點(diǎn)接收到LIN 主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的喚醒命令時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號(hào)，讓其進(jìn)入工作狀態(tài)。LIN主節(jié)點(diǎn)Master向LIN從節(jié)點(diǎn)發(fā)送獲取命令幀，LIN從節(jié)點(diǎn) 把數(shù)據(jù)通過(guò)LIN總線反饋給LIN主節(jié)點(diǎn)(主控)。

2.21輪胎內(nèi)壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊與芯片選擇

*輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊

由 于輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊都放在輪胎內(nèi)，所以對(duì)IC的要求特別高，一般有如下要求：工作溫度-40℃—125℃，短時(shí)間內(nèi)達(dá)150℃; 低功耗來(lái)保持電池壽命;能承受2000G(250kmh輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力;傳感器能保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定;IC體積少，重量輕;帶有壓力與溫度和電壓檢測(cè)。圖 3左虛線框是基于輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊示意結(jié)構(gòu)圖。其中壓力傳感器IC是一款集成了壓力、溫度、電壓檢測(cè)傳感器、LF、MCU的 IC。而發(fā)送IC是RF發(fā)射芯片系列。

*壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊芯片選擇及特征

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