基于MPXY8020傳感器的TPMS系統(tǒng)設(shè)計分析

　　68HC908RF2雖將MCU和RF電路集成于一體，但其接口電路仍需要外部連接，如圖3示。PTB1作為輸出控制RF電路的使能端ENABLE；PTB2和PTB3作為串行口與RF電路的RFDATA和DATACLK相連，經(jīng)過曼徹斯特編碼后的壓力溫度等信息，以二進制數(shù)據(jù)流的方式傳輸給發(fā)射電路， 發(fā)射電路再以FSK方式進行發(fā)射。其FSK工作原理較為簡單，當(dāng)RFDATA輸入“1”或“0”時，引起CFSK的輸出阻抗的變化，從而切換晶體振蕩器Y1的兩個負載電容C1和C2，負載電容的改變使晶體振蕩器的諧振頻率發(fā)生很小的偏移，這樣經(jīng)過倍頻后FSK信號就可以產(chǎn)生。

　　發(fā)射模塊固件程序設(shè)計

　　發(fā)射模塊的固件程序從功能上來看較為簡單，但從系統(tǒng)的可靠性、使用壽命等方面來考慮，對程序設(shè)計的安全性、經(jīng)濟性、有效性等提出很高的要求。特別是依靠1塊500mAh的鋰電池TPMS發(fā)射機要工作8年以上，除了優(yōu)秀的硬件設(shè)計外，固件程序?qū)Πl(fā)射模塊的各個電路進行經(jīng)濟、有效的控制顯得尤為重要。

　　圖4為簡單的程序流程圖，考慮省電的問題，整個發(fā)射模塊一般時間都處于省電模式。當(dāng)MPXY80203s中斷喚醒MCU后，MCU立即控制8020進行壓力溫度檢測并獲得壓力溫度測量值，MCU再對測量數(shù)據(jù)進行判斷，看輪胎壓力及溫度是否處于正常狀態(tài)：如果胎壓、溫度正常，再判斷定時發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，如果定時時間沒有到就進入省電模式，定時時間到，則進行組幀、曼徹斯特編碼、發(fā)送RF數(shù)據(jù)，最后再進入省電模式。相反，如果胎壓、溫度異常就直接進入發(fā)送數(shù)據(jù)的程序。

圖4　發(fā)射流程圖

　　接收模塊設(shè)計

　　本系統(tǒng)接收機采用摩托羅拉的接收芯片MC33594和中央處理器68HC908GT16，顯示器采用液晶顯示屏。

　　接收模塊硬件電路設(shè)計

　　MC33594是一個具有自動增益控制的高靈敏度的OOK/FSK解調(diào)芯片，內(nèi)部包括混頻、中頻放大、鎖相環(huán)、解調(diào)、數(shù)據(jù)管理及SPI接口等電路。MCU可以通過SPI接口對MC33594的內(nèi)部寄存器進行配置，從而設(shè)置該接收芯片的調(diào)制類型、數(shù)據(jù)接收碼速率、RF載波頻率等信息。圖5為TPMS接收電路，MC33594通過接收天線接收發(fā)射機發(fā)射的RF信號，將RF信號解調(diào)后通過SPI接口以中斷方式傳輸給68HC908GT16(MCU)，MCU負責(zé)處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)，并在必要時啟動報警電路。

圖5　接收電路

　　接收模塊固件程序設(shè)計

　　接收程序與發(fā)射程序類似，雖然功能簡單，但從可靠性來看，特別當(dāng)一個接收機要同時接收4個發(fā)射機甚至更多發(fā)射機的數(shù)據(jù)時，接收程序處理數(shù)據(jù)的有效性、及時性顯得更為重要。

　　圖6為接收機程序流程圖，考慮接收數(shù)據(jù)的有效性，我們設(shè)計SPI中斷方式接收數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)幀后MCU解析出發(fā)射機的ID號、壓力值、溫度值等信息，再判斷該發(fā)射機的ID與本接收機內(nèi)存儲的ID是否一致，如果不一致，則丟棄該組數(shù)據(jù)并進入省電狀態(tài)。如果ID一致，則處理數(shù)據(jù)并根據(jù)ID顯示相應(yīng)輪胎的壓力溫度數(shù)據(jù)，在壓力或溫度超出正常范圍時能及時、準(zhǔn)確地報警。

圖6　接收流程圖

　　無線通訊及協(xié)議

　　TPMS系統(tǒng)無線通信的設(shè)計關(guān)乎整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，接收芯片MC33594提供了靈活的軟硬件通信資源。通過軟件對MC33594的內(nèi)部寄存器CR1、CR2、CR3進行編程，設(shè)定本TPMS系統(tǒng)的載波頻率為434MHz，無線數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps。發(fā)射模塊與接收模塊的數(shù)據(jù)傳輸采用固定幀長，格式為：幀頭(2字節(jié))+發(fā)射機ID(4字節(jié))+壓力數(shù)據(jù)(1字節(jié))+溫度數(shù)據(jù)(1字節(jié))+狀態(tài)信息(1字節(jié))+校驗(1字節(jié))+幀尾(1字節(jié))。

　　其中幀頭包含同步頭、預(yù)設(shè)的ID信息(用于RF信號識別)、報頭標(biāo)志(為二進制曼徹斯特編碼0110)，同步頭用于喚醒MC33594的內(nèi)部電路，并通過PLL鎖定RF載波頻率；預(yù)設(shè)的ID信息用于識別系統(tǒng)信息的匹配；如果預(yù)設(shè)的ID信息匹配，則啟動數(shù)據(jù)管理器，再判斷報頭是否到達，收到報頭后正式接收數(shù)據(jù)。

　　TPMS系統(tǒng)設(shè)計中的難點分析

　　信號可靠性要求

　　TPMS是一個測量胎壓、溫度等，涉及安全信息的無線收發(fā)系統(tǒng)，其信號可靠性是設(shè)計中始終要考慮的問題。該信號可靠性包括兩個方面：數(shù)據(jù)接收率和誤碼率。數(shù)據(jù)接收率是指接收機能否可靠地收到發(fā)射機發(fā)射的每一幀數(shù)據(jù)，不僅涉及接收機的靈敏度和發(fā)射機的發(fā)射功率，還有一個重要的影響因素：當(dāng)發(fā)射機裝入輪胎而接收機放入車內(nèi)時，車體本身相當(dāng)于一個屏蔽盒，對信號的衰減相當(dāng)大，再加上多個發(fā)射機的數(shù)據(jù)沖突及周圍環(huán)境的干擾等，導(dǎo)致系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收率較低。誤碼率是指發(fā)射機發(fā)射的信號在傳輸途中因為外界環(huán)境干擾致使接收機收到錯誤的數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。