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(jì)

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(jì)方案。文章詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案以及軟、硬件設(shè)計(jì)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(gè)原因就是輪胎爆胎，如何防止爆胎已成為安全駕駛的一個(gè)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(shí)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(yàn)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(shí)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(dá)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(gè)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(gè)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(shí)，系統(tǒng)就會自動報(bào)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(jì)。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(jī)的無線收發(fā)芯片rfPIC12F675及多功能集成傳感器芯片SPl3設(shè)計(jì)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(jì)

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(jì)

該TPMS系統(tǒng)以rfPIC12F675單片機(jī)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(jī)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(jī)MCU打包后通過rfPIC12F675發(fā)射出去。同時(shí)，單片機(jī)也通過rfPIC12F675接收主機(jī)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(jì)并不涉及監(jiān)視器部分的硬軟件設(shè)計(jì)。

4.硬件設(shè)計(jì)

4.1 傳感器/ 發(fā)射器（S/TX）模塊

在每輛車上通常有5個(gè)S/TX單元，4個(gè)輪胎和備胎上各有1個(gè)。各個(gè)單元都有唯一的編號，以便系統(tǒng)區(qū)分各個(gè)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(jì)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(gè)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(gè)RC振蕩器，并包含RF發(fā)射電路，還裝有一個(gè)內(nèi)部比較器（它在解碼LF鏈接信息時(shí)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(jìn)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(gè)輸入產(chǎn)生喚醒事件后，會使rfPIC切換到運(yùn)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(shí)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(jìn)一步幫助其他電路濾除高頻能量。R6同時(shí)也能降低天線的Q值。發(fā)射電路的輸出功率通過R8進(jìn)行調(diào)整，開路時(shí)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(shí)生成一個(gè)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(shí)或在壓力從存儲模式增至1.5bar以上時(shí)進(jìn)入該模式。當(dāng)壓力高于1.5bar時(shí)，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(jìn)入壓力報(bào)警模式。

4）壓力報(bào)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(bào)警模式：如果溫度超過了120° C，SP13器件將進(jìn)入與初始模式相同的測量與發(fā)射模式。SP13還包括一個(gè)32位標(biāo)志號，該標(biāo)志號在生產(chǎn)時(shí)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(gè)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(shí)，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?？晒ぷ髟谧畲箅妷骸⒆畲箅娏骱妥畲髨鰪?qiáng)條件下，且無需外部晶振作為參考時(shí)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(jì)天線時(shí)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(shí)天線不斷變換方向、角度的影響。本設(shè)計(jì)中將采用螺旋天線，其可能是一種比較好的選擇，它可擴(kuò)大發(fā)射和接收的角度，有效地克服靜動態(tài)盲點(diǎn)。

5.軟件設(shè)計(jì)

5.1 主程序流程

本系統(tǒng)開機(jī)后，首先執(zhí)行上電初始化程序，然后進(jìn)入休眠模式以節(jié)省電能。當(dāng)?shù)竭_(dá)定時(shí)開機(jī)時(shí)刻，傳感器模塊的處理器將被外部中斷喚醒，并執(zhí)行開機(jī)檢測程序，一般在車輛移動時(shí)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(jī)指令，則停機(jī)，否則返回休眠模式。

5.2 開機(jī)檢測

車輛移動時(shí)。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(qiáng)制新車出廠前安裝TPMS系統(tǒng)，市場前景廣闊。本設(shè)計(jì)方案，較好地解決了系統(tǒng)微功耗、高可靠性的問題，在試驗(yàn)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(jì)方案思考[J].電子質(zhì)量.2005，(7)：6—9

[4]李學(xué)海.PIC單片機(jī)實(shí)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(jì). 2007

[6]陳勇.直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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)。