劉堂勝 徐林林

1.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院江西，南昌 330013

基于SPl3的汽車輪胎狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉堂勝1徐林林2

1.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院江西，南昌 330013

本文給出了一種用于檢測汽車輪胎壓力和溫度狀態(tài)的傳感器系統(tǒng)設(shè)計方案。文章詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案以及軟、硬件設(shè)計方法。

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS)；SPl3；傳感器；微功耗；輪胎壓力

1.前言

近年來，我國道路交通事故率持續(xù)維持高位，而這當(dāng)中輪胎問題已成為造成和誘發(fā)交通事故的重要原因之一，尤其在高速公路中行駛更是如此。高速公路上發(fā)生的交通事故很主要的一個原因就是輪胎爆胎，如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要研究課題。據(jù)有關(guān)分析，保持標(biāo)準(zhǔn)的輪胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)輪胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵，而汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（Tire pressure monitoring system，以下簡稱TPMS）無疑將是理想的工具。試驗結(jié)果表明，TPMS作為主動安全裝置對防止汽車在高速行駛時發(fā)生爆胎發(fā)揮了不可替代的作用。因此，在汽車上安裝輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，將與安全氣囊及ABS等一樣，成為必然的發(fā)展趨勢。

2.系統(tǒng)綜述

目前，TPMS主要分為兩種類型：間接式和直接式。間接式系統(tǒng)通過汽車ABS的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的。直接式系統(tǒng)則是利用安裝在每一個輪胎里的以鋰電池為電源的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并通過無線電頻率調(diào)制發(fā)射到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上。駕駛者通過監(jiān)視器可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時，系統(tǒng)就會自動報警。直接式TPMS已逐步取代間接式TPMS而成為輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的主流。

直接式系統(tǒng)的核心是安裝在輪胎內(nèi)部的傳感器模塊。它在電池供電下可以工作5～7年。因此要求系統(tǒng)采用微功耗設(shè)計。另外，由于安裝在輪胎內(nèi)部，對傳感器尺寸、重量以及可靠性都有嚴(yán)格要求。本文給出了基于PIC單片機的無線收發(fā)芯片rfPIC12F675及多功能集成傳感器芯片SPl3設(shè)計的一種用于檢測汽車輪胎壓力、溫度狀態(tài)檢測的傳感器系統(tǒng)。

3.性能指標(biāo)與總體設(shè)計

3.1 性能指標(biāo)

該智能傳感器系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下：

壓力測量范圍：50～637 kPa

溫度測量范圍：-40℃～+125°C

通信頻率：315 MHz

最大發(fā)射功率：+9 dBm （50Ω 負(fù)載）

接收靈敏度：－80dBm

傳感器采用3V鋰亞電池供電

3.2 總體設(shè)計

該TPMS系統(tǒng)以rfPIC12F675單片機為核心，并包括三合一集成式傳感器芯片SPl3。其中SPl3可在單片機的控制下測量車胎的壓力和溫度值，并以數(shù)字量形式輸出.再經(jīng)過單片機MCU打包后通過rfPIC12F675發(fā)射出去。同時，單片機也通過rfPIC12F675接收主機發(fā)來的指令，完成相應(yīng)的控制或參數(shù)配置任務(wù)。本設(shè)計并不涉及監(jiān)視器部分的硬軟件設(shè)計。

4.硬件設(shè)計

4.1 傳感器/ 發(fā)射器（S/TX）模塊

在每輛車上通常有5個S/TX單元，4個輪胎和備胎上各有1個。各個單元都有唯一的編號，以便系統(tǒng)區(qū)分各個輪胎。S/ TX周期性測量輪胎的內(nèi)部壓力、溫度和電池狀況。然后將測量信息轉(zhuǎn)換成RF信號發(fā)送到中央接收器。本設(shè)計中芯片部分基于Microchip 的rfPIC12F675，而壓力與溫度的檢測則由Sensonor公司的SP13傳感器IC來完成。該單元還設(shè)置了LF接收器單元，用于和S/TX器件通信，并將其從休眠狀態(tài)喚醒。

S/TX模塊包括兩個集成電路：rfPIC12F675 MCU/RF發(fā)射器IC和SP13。此外，S/TX還包括LF（低頻）輸入電路，該電路可使S/TX器件通過LF鏈接接收特殊指令。

4.1.1 rfPIC12F675發(fā)射器IC

基于PIC12F675的rfPICTM是S/TX的核心器件，該器件內(nèi)部有一個RC振蕩器，并包含RF發(fā)射電路，還裝有一個內(nèi)部比較器（它在解碼LF鏈接信息時起到重要作用）。

rfPIC有三大功能，監(jiān)視SP13傳感器IC數(shù)據(jù)線和LF輸入，定期匯編并發(fā)射RF信息。上電后，rfPIC將執(zhí)行初始化程序，隨后進入休眠模式，直至檢測到SP13數(shù)據(jù)或LF輸入狀態(tài)變化才被喚醒。當(dāng)某個輸入產(chǎn)生喚醒事件后，會使rfPIC切換到運行模式。

4.1.2 RF電路

rfPIC中的PLL形式發(fā)射器只需最少的外部元件就能完成RF發(fā)射。發(fā)射器的基頻由Y1確定，L3通過C3和C8與單端RF驅(qū)動器匹配，同時也構(gòu)成了諧振回路，選擇C4為3V電源提供去耦。由L2和R6形成的濾波器可進一步幫助其他電路濾除高頻能量。R6同時也能降低天線的Q值。發(fā)射電路的輸出功率通過R8進行調(diào)整，開路時輸出功率最大。其電路圖如圖2所示。

圖1 RF電路圖

4.1.3 Sensonor SP-13 傳感器IC

SP13傳感器IC具有多種功能。它用于測量壓力和溫度，且在電池電壓低于預(yù)定門限值時生成一個標(biāo)志。其內(nèi)部電路如圖3所示，SP13有5種工作模式：

1）存儲模式：如果壓力低于1.5bar, 則每60s測一次壓力且不發(fā)送數(shù)據(jù)。如果壓力高于1.5bar，元件則切換到初始模式。

2）初始模式：在上電時或在壓力從存儲模式增至1.5bar以上時進入該模式。當(dāng)壓力高于1.5bar時，器件將切換到正常模式。如果壓力小于1.5bar，器件將切換到存儲模式。

3）正常模式：每3.4s測一次壓力且每60s發(fā)送一次數(shù)據(jù)。如果每60s前后得到的壓力差大于0.5bar，器件將進入壓力報警模式。

4）壓力報警模式：此模式的測量和發(fā)射形式與初始模式相同。

5）高溫報警模式：如果溫度超過了120° C，SP13器件將進入與初始模式相同的測量與發(fā)射模式。SP13還包括一個32位標(biāo)志號，該標(biāo)志號在生產(chǎn)時編入器件。此ID是唯一的，中央接收器可使用它區(qū)分各S/TX。

圖2 SP13 內(nèi)部電路

4.1.4 LF命令器

LF命令器可通過125 kHz ASK調(diào)制信號向S/TX單元發(fā)送特定指令。LF鏈接可實現(xiàn)短程通信（小于等于1米），這使得該鏈接可在其直接范圍內(nèi)與輪胎進行通信。LF磁場通信用于向S/TX器件發(fā)送指令。S/TX器件接收到指令后，將立即按照指令完成特定任務(wù)。

4.1.5 LF 輸入電路

LF輸入電路用于接收和解調(diào)125kHz信號并將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成特定的指令。LF感應(yīng)輸入由L1和C11構(gòu)成。D3用于將LC諧振回路上感應(yīng)的電壓鉗位在安全電平。LC回路輸出經(jīng)過限流電阻R5送入IC比較器的負(fù)輸入端。比較器輸出則送至由D2、C9 和R3組成的包絡(luò)檢波器。使用C9和R3對LF頻率進行充分過濾，使之不在期望的數(shù)據(jù)信號邊緣波動。然后將包絡(luò)檢波器的輸出直接送至rfPIC的輸出引腳，用于處理LF數(shù)據(jù)。其電路如圖4所示。

圖3 LF電路圖

4.2 電源及輔助電路

TPMS供電系統(tǒng)一般采用小尺寸電池,考慮到電池容量、壽命及溫度適應(yīng)性，本設(shè)計電池選用TADIRAN LTH2450鋰亞電池，以保證遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊在高低溫環(huán)境中都能正常工作，滿足TPMS寬溫度范圍的要求。

4.3 TPMS的天線及天線驅(qū)動器IC

4.3.1 天線驅(qū)動器IC

本系統(tǒng)采用Atmel公司的125kHz BCDMOS天線驅(qū)動器IC——ATA5275，該IC具有自諧振功能，采用了一個PLL電路輸出接近于天線振蕩電路諧振頻率的頻率信號，當(dāng)天線半橋工作時，該VCO可通過過零檢測跟蹤天線電流，以保持VCO提供天線的中心諧振頻率?？晒ぷ髟谧畲箅妷?、最大電流和最大場強條件下，且無需外部晶振作為參考時鐘。

4.3.2 天線

天線是遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測模塊發(fā)射功率提升的關(guān)鍵，天線技術(shù)涉及天線的幾何形狀、材料、介質(zhì)等諸多因素。TPMS發(fā)射器的天線靠近氣門嘴，位于輪轂內(nèi)，因而在設(shè)計天線時必須考慮金屬輪轂和輪胎金屬絲網(wǎng)的屏蔽，以及車輪高速行駛時天線不斷變換方向、角度的影響。本設(shè)計中將采用螺旋天線，其可能是一種比較好的選擇，它可擴大發(fā)射和接收的角度，有效地克服靜動態(tài)盲點。

5.軟件設(shè)計

5.1 主程序流程

本系統(tǒng)開機后，首先執(zhí)行上電初始化程序，然后進入休眠模式以節(jié)省電能。當(dāng)?shù)竭_定時開機時刻，傳感器模塊的處理器將被外部中斷喚醒，并執(zhí)行開機檢測程序，一般在車輛移動時才執(zhí)行檢測，否則返回休眠模式。當(dāng)系統(tǒng)啟動狀態(tài)檢測后，傳感器模塊依次檢測輪胎內(nèi)的氣壓、溫度、電池電壓等信息，并將檢測值與預(yù)定警戒值做比較，以判斷是否出現(xiàn)異常，并執(zhí)行相應(yīng)的警告動作。若系統(tǒng)遇到停機指令，則停機，否則返回休眠模式。

5.2 開機檢測

車輛移動時。SPl3芯片可以測量出加速度的變化，當(dāng)加速度超出設(shè)定的門限值即判定車輛在移動。

5.3 狀態(tài)檢測

狀態(tài)檢測是該智能傳感器核心功能，主要包括氣壓檢測、溫度檢測，以及電池電壓檢測。

由于SPl3芯片集成了氣壓檢測、溫度檢測及電壓檢測功能，因此，它們的狀態(tài)檢測程序流程與加速檢測基本類似，主要是對SPl3的通訊。各種狀態(tài)檢測流程圖見圖4所示。

圖4 狀態(tài)檢測流程

6.結(jié)束語

TPMS是行車安全的重要保障，在歐美已經(jīng)通過立法，強制新車出廠前安裝TPMS系統(tǒng)，市場前景廣闊。本設(shè)計方案，較好地解決了系統(tǒng)微功耗、高可靠性的問題，在試驗車輛上效果良好，且符合美國國家公路交通安全管理局制定的基本標(biāo)準(zhǔn)，具有產(chǎn)品化的前景。

[1] PICl2F629/PICl2F675 Data Sheet，Microchip[EB/0L].http：//www.microchip.Com

[2] SPl3 Tire Pressure Sensor，Specification[EB/0L].http：//www.infeneon.Com

[3] 顏重光.TPMS的設(shè)計方案思考[J].電子質(zhì)量.2005，(7)：6—9

[4]李學(xué)海.PIC單片機實用教程[M].北京.北京航空航天大學(xué)出版社.2002

[5]朱根茂.基于μC/OS-Ⅱ的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計. 2007

[6]陳勇.直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究. 2009

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.099

劉堂勝（1984-），男，湖北武穴人，江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系（華東交通大學(xué)在讀碩士），助理講師，研究方向：汽車電控技術(shù)，汽車安全技術(shù)。