劉奇元，唐黔湘，蔡悅?cè)A

（湖南文理學(xué)院機械工程學(xué)院，湖南常德415000）

新產(chǎn)品開發(fā)

基于MPX Y8020A傳感器的TPMS設(shè)計

劉奇元，唐黔湘，蔡悅?cè)A

（湖南文理學(xué)院機械工程學(xué)院，湖南常德415000）

從汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)（T P MS）的傳感通信與能耗管理方面入手，結(jié)合M P X Y8020A高性能低功耗傳感器集成芯片，設(shè)計了一種可靠性好、功耗低的T P MS系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件方面采用高性能低功耗的M P X Y8020A傳感器芯片和M C 68H C908R F2發(fā)射處理芯片，軟件方面采用斷續(xù)發(fā)射方式代替以前的連續(xù)發(fā)射方式，優(yōu)化了T P MS的發(fā)射程序算法，降低了系統(tǒng)功耗。室內(nèi)室外測試表明，設(shè)計的T P MS系統(tǒng)可靠性高，能耗低，可有效工作在輪胎的有效工作期內(nèi)，滿足實際需要。

T P MS；無線；M P X Y8020A；可靠性；功耗

汽車輪胎的壓力直接關(guān)系到汽車的安全與舒適性能，關(guān)系到駕乘人員的人身安全。胎壓不足而爆胎引發(fā)的安全事故時常見諸報端，特別是高速公路上，據(jù)統(tǒng)計由爆胎引發(fā)的交通事故占高速公路事故總數(shù)的70%[1]。避免爆胎最關(guān)鍵也是最有效的措施就是及時監(jiān)測胎壓，時刻保持在標準胎壓的范圍內(nèi)行駛。汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)[2-4]目的就是實時地對胎壓進行自動監(jiān)測，當胎壓低于標準氣壓時及時報警，提醒駕駛員采取對應(yīng)措施，保障行車安全。

汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）包括直接式和間接式兩種類型[5]，間接式TPMS系統(tǒng)[6]依賴于汽車制動防抱死系統(tǒng)中的輪速傳感器，根據(jù)不同輪胎中輪速傳感器傳遞過來的轉(zhuǎn)速信息來比較不同輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，當不同輪胎之間的轉(zhuǎn)速差大于一定值時，說明其中某一個輪胎胎壓不足，以此來實時監(jiān)測輪胎胎壓情況。這種間接式汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)基于汽車現(xiàn)成的輪速傳感器，簡單方便，但這種依賴于兩個輪速差的方法在某些情況可能失效，如同軸的兩個輪胎同時胎壓不足，或行駛在彎道時輪速差可能引起的誤報。直接式TPMS系統(tǒng)基于每個輪胎中的胎壓傳感器直接檢測，可以監(jiān)測每個輪胎的實時胎壓，避免誤判。直接式TPMS在工作過程中，需要克服無線控制傳輸、電源能耗控制管理、傳感通信等問題[6]。本文從TPMS系統(tǒng)的傳感通信與能耗管理入手，結(jié)合MPXY8020A高性能低功耗傳感器集成芯片，設(shè)計了一種可靠性好、功耗低的汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

TPMS系統(tǒng)原理圖如圖1所示，安裝于輪胎中的溫度壓力傳感器檢測的輪胎壓力信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、信號調(diào)制、信源編碼等信息處理后，由射頻信號發(fā)射器以一定的頻率發(fā)送，安裝于駕駛室中的接收器接收來自于輪胎中的壓力信息，再經(jīng)微處理器進行處理。若檢測的信號出現(xiàn)異常值，報警系統(tǒng)啟動，以指示燈和液晶顯示屏提醒駕駛員采取對應(yīng)的措施。

圖1 TPMS系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

TPMS系統(tǒng)的發(fā)射模塊如圖2所示。胎壓信號經(jīng)由輪胎中的壓力傳感器檢測后，經(jīng)相關(guān)的除噪濾波模數(shù)轉(zhuǎn)換后進入微處理器MCU進行處理。設(shè)計中采用MPXY8020A作為采集輪胎溫度壓力信號的傳感器，采用MC68HC908RF2作為發(fā)射模塊處理芯片，模塊處理芯片對檢測的溫度壓力信號進行編碼后經(jīng)由RF發(fā)射進行發(fā)射。發(fā)射頻率采用433MHz.MPXY 8020A和MC68HC908RF2芯片的電源由3 V鋰電池提供。

圖2 發(fā)射模塊示意圖

2.1 MPX Y8020A傳感器

輪胎中的傳感器采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MPXY8020A傳感器[7]，其是一個8引腳的監(jiān)控傳感器。MPXY8020A內(nèi)部集成有一個溫度感應(yīng)元件、一個可變電容壓力感應(yīng)元件和一個有喚醒功能的內(nèi)部電路，芯片采用SSOP超小型封裝，低功耗智能型的耐壓監(jiān)控傳感器。MPXY8020A的CLK、DATA、S0和S1四個引腳都內(nèi)置了施密特觸發(fā)器，芯片抗干擾能力強。MPXY8020A有4種工作方式，工作方式由S0和S1引腳的電平來決定，當S0S1=01時進行壓力測量，S0S1=10時進行溫度測量，S0S1=11時進行數(shù)據(jù)輸出。

MPXY8020A傳感器將測量的輪胎壓力、溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號送到取樣電容中，這個取樣電容由一個帶門限調(diào)節(jié)的電壓比較器監(jiān)控。當門限電壓小于取樣的電容電壓時輸出端輸出高電平，當門限電壓大于或等于取樣電容電壓時則輸出低電平。

2.2 發(fā)射模塊設(shè)計

發(fā)射處理芯片采用FREESCALE公司生產(chǎn)的MC68HC908RF2單片機[8]。該單片機功耗低，性能可靠，內(nèi)部集成有高頻發(fā)射模塊，無需外加RF發(fā)射電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積小，適合輪胎小范圍環(huán)境的安裝，對輪胎的正常工作影響小；抗干擾能力強，能滿足持續(xù)長時間運動及高溫等惡劣環(huán)境下工作的輪胎內(nèi)的惡劣工作環(huán)境；非常適合近距離的無線傳輸。

MC68HC908RF2發(fā)射芯片與MPXY8020A傳感器連接，定期檢測溫度壓力數(shù)據(jù)，編碼后發(fā)送。發(fā)射晶振頻率為13.56MHz，發(fā)射方式FSK方式，RF頻率選為433MHz.

2.3 接收模塊設(shè)計

TPMS系統(tǒng)的接收模塊如圖3所示。接收芯片選用MC33594，控制器選用MC68HC908GT8.RF接收器MC33594接收輪胎發(fā)射模塊發(fā)射來的溫度壓力信號，經(jīng)MC68HC908GT8微處理器處理后系統(tǒng)與設(shè)定的標準胎壓值進行比較，當檢測的胎壓值出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動報警，駕駛員根據(jù)報警信息采取對應(yīng)措施。車載直流電源提供接收模塊的能源。

圖3 接收模塊示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

TPMS系統(tǒng)中設(shè)計的一大難點在于如何降低功耗，除在硬件設(shè)計時盡量選擇低功耗元件外，軟件方面也可以優(yōu)化算法達到降低功耗的目的。TPMS系統(tǒng)最大的功耗在于無線發(fā)射過程，本設(shè)計中采用斷續(xù)發(fā)射方式替換以往的連續(xù)發(fā)射，正常范圍內(nèi)每隔10 s發(fā)送一次，當MC68HC908RF2芯片檢測MPXY8020A傳感器傳送過來的溫度壓力信號超出設(shè)定范圍后，啟動快速發(fā)射模式，每隔1 s發(fā)送數(shù)據(jù)，同時啟動報警系統(tǒng)。發(fā)射程序流程圖如圖4所示。

圖4 發(fā)射程序流程圖

4 實驗分析

在室外與室內(nèi)分別實驗，室外發(fā)射與接收模塊之間無阻擋，室內(nèi)相鄰兩房間，中間隔鐵門并開啟電腦及設(shè)備儀器。發(fā)射模塊在不同距離發(fā)送一定數(shù)量二進制碼，接收模塊接收并計數(shù)，最終計算傳送的誤碼率，通信測試結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 室外通信測試結(jié)果

表2 室內(nèi)通信測試結(jié)果

產(chǎn)生誤碼率主要原因是外界電腦、設(shè)備儀器對信號的干擾與屏蔽。實驗中，系統(tǒng)連續(xù)運行一個小時，通信可靠。能耗方面，主要考慮發(fā)射模塊的能耗，發(fā)射模塊中MC68HC908RF2傳感器是能耗最大的。MC68HC908RF2傳感器待機狀態(tài)時為3μA，發(fā)送時最大電流16 mA，系統(tǒng)中采用斷續(xù)發(fā)射方式，每秒的功耗約為10μA.實驗中，采用CR2032型標準鋰電池，標準容量220 mAH，按8小時每天的工作量，可運行6年。正常情況下，輪胎的壽命在10~15萬公里之間，3~5年就會發(fā)生不同程度的龜裂老化現(xiàn)象。因此，該系統(tǒng)可有效工作在輪胎的有效工作期內(nèi)，可滿足實際需要。

5 結(jié)論

從TPMS系統(tǒng)的傳感通信與能耗管理入手，結(jié)合MPXY8020A高性能低功耗傳感器集成芯片，設(shè)計了一種可靠性好、功耗低的汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)。TPMS系統(tǒng)采用MPXY8020A傳感器芯片，發(fā)射處理芯片采用MC68HC908RF2，接收芯片選用MC33594，面采用斷續(xù)發(fā)射方式代替以前的連續(xù)發(fā)射方式，優(yōu)化了TPMS的發(fā)射程序算法。實驗測試表明，系統(tǒng)的可靠性高，能耗低，可有效工作在輪胎的有效工作期內(nèi)，可以滿足實際需要。

[1]顏重光.汽車輪胎壓力實時監(jiān)視系統(tǒng)及其發(fā)展[J].汽車與配件，2007，14（7）:39-41.

[2]閆世偉，楊志剛，羅洪波，等.TPMS用壓電發(fā)電裝置研究[J].壓電與聲光，2010，32（5）:774-777，781.

[3]黃友，張向文.基于SP37的輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013，32（5）:144-147.

[4]李天利，賈喜國，胡泓，等.無源TPMS中SAW傳感器RF信號收發(fā)系統(tǒng)研究[J].汽車技術(shù)，2012（4）:44-47.

[5]韓宗奇，鞠學(xué)坤，王立強，等.轉(zhuǎn)彎工況下汽車間接式TPMS監(jiān)測方法[J]．機械工程學(xué)報，2011，47（6）：143-149．

[6]劉奇元，何哲明，曾斌.汽車輪胎壓力檢測系統(tǒng)的無線控制策略[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，22（4）：78-80.

[7]戴云潔．耐壓監(jiān)控傳感器MPXY8020A[J]．國外電子元器件，2004，（8）：67-68．

[8]杜吉龍.基于MC68HC908RF2的無線溫度傳感器[J]．半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33（1）：25-29.

Design about TPMS Based MPXY8020A Sensor

LIU Qi-yuan，TANG Qian-xiang，CAI Yue-hua
（College of Mechanical Engineering，Hunan University of Arts and Science，Changde Hunan 415000，China）

In this paper，aiming at these aspects of the sensor communication and the energy management in the tire pressure monitoring system（TPMS）and combining with MPXY8020A integrated sensor with high performance and low -power，a kind of TPMS with higher performance and lower power was designed. The system uses MPXY8020A sensor and MC68HC908RF2 launch processing chip with higher performance and lower power in hardware，and substitutes the intermittent transmission mode for the previous continuous transmission mode in software to optimize the TPMS transmitter program and to reduce the power consumption of the system. The indoor and outdoor tests show there are higher reliability and lower power consumption of the designed TPMS in this paper，and this system can work effectively in the effective working period of the tire and meet the actual needs.

TPMS；wireless；MPXY8020A；reliability；power consumption

U463.6

A

1672-545X（2016）09-0084-03

2016-06-06

湖南省“十二五”重點建設(shè)學(xué)科（機械設(shè)計及理論）（XJF2011[76]）；湖南省自然科學(xué)基金（13JJ8023）；湖南省教育廳科研項目（11C0909）；湖南文理學(xué)院教改項目（JGYB1523）

劉奇元（1980-），男，湖南祁東人，在讀博士，講師，主要研究方向為機電控制系統(tǒng)與檢測、機械運動學(xué)仿真、圖像處理；唐黔湘（1969-），男，湖南常德人，高級實驗師，碩士，研究方向：機械設(shè)計制造及自動化；蔡悅?cè)A（1964-），男，湖南常德人，副教授，碩士，研究方向：機械設(shè)計制造及自動化。