1、直接式 TPMS 轮胎压力监测系统设计驶安特汽车电子有限公司 金爱武摘要：着重介绍实现轮胎压力监测系统（TPMS ）的电路设计和相关技术问题。TPMS 系统由压力传感器模块和中央接收机组成。压力传感器 SP12、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。接收机接收压力信息，并进行处理。 关键词：TPMS 轮胎压力监测 nRF401 射频 引 言 伴随着城市交通技术的不断发展，人们在享受高速公路高效便捷方式的同时，随之引发的交通事故率也在提高，其中由于轮胎的气压引起的比例高达 80，这种现象使得人们要对行驶中的轮胎气压进行监
2、测。一些发达国家陆续推出了相关法案（美国的 TREAD 法规），要求新车装配中必须装配能够对行驶中的轮胎气压实时监测的安全电子装置。因此，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PIC16F628A 低功耗 8 位 MCU，压力传感器选用英飞凌的 SP12，射频 IC 选用 Nordic 公司的 nRF401。 装在轮胎里的压
3、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 1 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 nRF401 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 10 dBm。基本技术指标如下： 中心载频点为 433.92/434.33 MHz； 最大发射功率为 10 dBm； 工作电压为 2.75.25 V； 接收时消耗电流为 250 A ，发射时最大为 28 mA，待机电流为 8 A 。 点
4、击看大图NRF401 的 ANT1 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 1.1 V0.2 V。 5 脚和 6 脚为压电晶振控制的外围电路，此两脚间接一个 Q45433 MHz 值的 22 H 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
5、功率控制电阻。如图 2 中的 R3，该值在 22100 k 之间。一般在 30 k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=Nsqrt (S2+C2)这里 C=D 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 ，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=tan-1(S/C)
6、螺旋天线有以下 2 种工作模式。 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。 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，副瓣与轴间有一个倾斜角度。为激励这种模式，其直径 D 和空间 S 必须是波长的一个大分数。 1.3 传感器电路 SP12 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 6 s 输出一个脉冲信号
7、，RESET 每隔约 54 min 输出一个脉冲信号，低电平有效。 1.4 系统功耗 由于要求 TPMS 系统整体静态电流小于 20 A，所以保证选用的器件必须是低功耗或超低功耗的芯片。PIC16F628A 的静态电流为 0.1 A，传感器 SP12 的静态电流为 0.6 A，射频 NRF401 的待机电流为 8 A。 经过实测，静态功耗 Ist =Ist_mcu+Ist_sensor+Ist_rf+Ist_cap=15 A 。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 25 mA(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
8、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。具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： 定时测量轮胎压力、温度； 压力在不同级别区域内有报警时，同一个级别只上报一次； 压力无变化，固定间隔时间段上报一次压力、温度； 保证系统可靠性，系统每隔约 1 小时复位一次。 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
9、 所示。 系统上电复位的工作流程图如图 6 所示。 图 5图 622 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PIC16F628A 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
10、符同步字符ID 码压力温度报警位校验码。 数据的接收处理，nRF401 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，双向全时的特点，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。参考文献 1 KRAUS JOHN D， MARHEFKA RONALD J. 天线.章文勋译. 第 3 版.北京：电子工业出版社，2004 2 武锋，陈新建. PIC 单片机 C 语言开发入门. 北京：北京航空航天大学出版社，2005
