汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)技術和應用芯片

汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)技術和應用芯片

當今世界已有不少國家高速公路安全協(xié)會立法強制實施，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)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(huán)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(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。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(fā)送器將胎壓數據發(fā)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(tǒng)安裝了直接氣壓傳感器，則混合TPMS能夠克服常規(guī)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(tài)的輪胎．當所有4個輪胎都處于低壓狀態(tài)時，系統(tǒng)也可以檢測到故障。

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(fā)射器。除減少組件數量外，它還可以降低系統(tǒng)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(zhàn)來自于無線控制，第一代TPMS發(fā)送器的設計采用SAW共振器的ASK調制技術來產節(jié)點發(fā)出的喚醒命令時．該生適當的發(fā)射頻率?，F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(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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(zhàn)(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(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)的功耗。

用MCU、RF和傳感器實現直接式TPMS系統(tǒng)，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(jiān)測系統(tǒng)，是由與輪胎閥一體的4個訊號發(fā)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(tǒng)，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(huán)路中最多能支持16個節(jié)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(jié)接口的單線串行通訊協(xié)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(jié)的點、多個從節(jié)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(jié)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(guī)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(jié)點和若干個從機節(jié)點(由于過多節(jié)點將導致網絡阻抗過低，一個LIN網絡中節(jié)點總數不宜超過16)。主機節(jié)點既包括主機任務也從機節(jié)點卻只包括從機任務。圖2(b)為LIN拓撲結構示意圖。主機節(jié)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(jiān)測系統(tǒng)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(jié)點喚醒相應輪胎內的發(fā)送模塊；通過LIN總線返回LIN從節(jié)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(jié)點接收到LIN主節(jié)點會向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號，讓其進大工作狀態(tài)。LIN主節(jié)點Master向LIN從節(jié)點發(fā)送獲取命令幀,LIN從節(jié)點把數據通過LIN總線反饋給LIN主節(jié)點(主控)。

(1)輪胎內壓力傳感IC與發(fā)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(fā)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(wěn)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(fā)送IC是RF發(fā)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(fā)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(fā)送器+MCU(Flash)的MC68HC90RF2內含為2kB用戶FLashROM、定時器、集成的射頻(Rn發(fā)送器、低壓檢測和RAM及內部時鐘發(fā)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(huán)(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(fā)射端功耗、延長電池使用壽命提供了最大的可能性。在發(fā)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(fā)射功率可在－12dBm～+10dBm范圍內調節(jié)。

(2)接收模塊與芯片選擇

對于接收模塊處于LIN網絡的主節(jié)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。