轮胎压力监测系统(TPMS)的电路设计
tpms系统由压力传感器模块和中央接收机组成。压力传感器spl2、微控制器和433 mhz收发一体射频ic(nrf401)组成的压力传感器模块,完成轮胎压力的采集和发射任务。
在未来汽车上加装轮胎压力监测系统(tpms),也必将和abs、安全气囊一样,是必然的发展趋势。轮胎压力监测系统全天候对轮胎里的压力进行监测,对轮胎的漏气和低压、高压进行报警,使车辆始终处于安全运行状态。
1 系统设计
tpms系统由轮胎压力传感器和接收机组成。轮胎压力传感器选用microchip公司的picl6f628a低功耗8位mcu,压力传感器选用英飞凌的spl2,射频ic选用n0rdic公司的nrf40l。
装在轮胎里的压力传感器将轮胎里的压力、温度信息传送给驾驶室里的接收机,让司机随时了解轮胎中的气压情况,如图l所示。
1.1 射频电路
在图2所示的射频信号电路中,采用挪威nordic,公司的nrf40l器件,该器件是433 mhz ism频段的单片uhf无线收发ic。它采用fsk的调制解调技术,其最高工作速率可达20 kb,发射功率可调,最大达lo dbm。基本技术指标如下：
中心载频点为433.92／434.23 mhz;
最大发射功率为10 dbm
工作电压为2.7~5.25v;
接收时消耗电流为250μa,发射时最大为28 ma,待机电流为8／μa。
nrf401的antl和ant2是天线的输入／输出复用脚。在输入模式时,射频信号通过将该脚连接到低噪音放大器后解调;同样,在输出模式时,调制的信号在功率放大后,通过该脚输出。
4脚为nrf401的pll锁相环滤波器输入,该脚正常工作时的电压是l.lv0.2v。
5脚和6脚为压电晶振控制的外围电路,此两脚间接一个q>45@433 mhz值的22μh电感。
7脚和8脚分别为数据输入脚和输出脚。配合18脚pwr_up和19脚txen上的电位时序完成信息的发送和接收。图3是进行数据发射和接收时控制各引脚操作时序图。
11脚外接射频功率控制电阻。如图2中的r3,该值在22~100kω之间。一般在30kω左右达到7 dbm。
1.2 螺旋天线的结构
由于天线有不同类型,应根据具体应用要求来选择。本应用中,天线位于汽车轮毂内。紧靠气门嘴。在高速行驶中,天线不断变换方向。为了尽可能扩大接收的角度,选用螺旋天线。
螺旋天线的圈数(n)、直径(d)和圈距(s)决定了天线的增益和方向性。
天线的总长为ln=nlo=nsqit(s2+c2)这里c=xd是螺旋的园周,lo=sqrt（s2+c2）是一圈导线的长度。
另一个重要参数是螺旋角α,它是螺旋线切线和螺旋轴垂直平面的夹角。螺旋角的定义为α=tan-1(s／c)螺旋天线有以下2种工作模式。
①常态模式。在常态工作模式,天线辐射场在相对于螺旋轴的法线平面有极大值。对于该模式：nlo〈〈λ。
②轴向(端射)模式。这种工作模式只有一个主瓣,它的最大辐射强度沿着螺旋轴,副辦与轴间有一个倾斜角度。为激励这种模式,其直径d和空间3必须是波长的一个大分数。
1.3 传感器电路
spl2是英飞凌公司的轮胎压力传感器ic,如图4所示,通过mems技术集成了压力和温度、加速度、电压的检测电路,直接以数字形式输出各物理量的示值,与外围采用spi协议进行交互。
同时内部有两个时钟信号,wakeup和reset。wakeup每6s输出一个脉冲信号,reset每隔约54min输出一个脉冲信号,低电子有效。
1.4 系统功耗
由于要求tpms系统整体静态电流小于20μa,所以保证选用的器件必须是低功耗或超低功耗的芯片。picl6f628a的静态电流为0.lμa,传感器spl2的静态电流为o.6μa,射频nrf401的待机电流为8μa。
经过实测,静态功耗ist=ist_mcu+ist_sensor+ist_rf+ist_cap=15μa。ist_cap为钽电容的泄露电流。动态功耗在射频处于连续发射的情况下,经实测为25ma(最大值。
2 软件设计
2.1 软件总体设计
软件总体分为4个运行模式：调试模式(工厂诊断用)、初始化模式、睡眠模式(休眠)和测量模式。
(1)调试模式
主要执行产品出厂的一些内部测试和诊断功能。体包括传感器测试和射频测试两部分。
(2)初始化模式
接收主机给定的id码和级别判定阀值。
（3）睡眠模式
以最低的功耗运行,响应系统的运行要求。
（4）测量模式
测量模式主要完成以下功能：
①定时测量轮胎压力、温度;
②压力在不同级别区域内有报警时,同一个级别只上报一次;
③压力无变化,固定间隔时间段上报一次压力、温度;
④保证系统可靠性．系统每隔约l小时复位一次。
⑤不同级别报警同时出现,则以高温、高压、低压级别的优先级报警。
它们的相互转换关系如图5所示。
系统上电复位的工作流程图如图6所示。
2.2 传感器数据的处理
sp12是压力传感的ic,内部直接处理得到的数字量,只需通过spi物理接口,向它发送对应的命令字和指令,就可以得到当前轮胎的压力、温度、加速度等值。由于picl6f628a无spi模块,这里可通过软件来模拟spi驱动。达到与sp12通信的目的。
2.3 射频数据的处理
为了保证在恶劣的环境下收发数据的可靠性,以及根据本应用信息量小,数据简单的特点,采用信息冗余的方法来保证数据可靠地接收,即连续发送相同内容的信息。
数据的发送处理采用mcu内部的usart模块。
数据帧格式为前导符+同步字符+id码+压力+温度+报警位+校验码。
数据的接收处理,nrf40l在接收模式下,dout脚有连续的随机信号输入,如何高效地在字节流中筛选出发送的信息呢?这里,因为发送格式是固定的,故采用在中断处理过程中用有限状态机的方式来处理。
结 语
该tpms系统具有体积小,成本低,双向金时的特点,得到广泛的应用。对于拥有几千万辆汽车的国内,将具有非常广阔的市场前景。这将掀起新一轮汽车压力传感器应用的高潮。
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