基于MPXY8020传感器的TPMS系统设计分析

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  随着全球汽车电子产业的兴起和人们对汽车安全的信息化、智能化的不断追求,汽车胎压监测系统(TPMS)成为继安全气囊和ABS之后的又一新兴汽车安全产业迅速发展。

  目前出现的TPMS主要分为间接式和直接式。间接式TPMS使用ABS轮胎速度传感器来测量每一个轮胎的转速,从而判断轮胎压力,该系统虽然具有不用电池、耐用性强等优点,但准确性、可靠性差。直接式TPMS系统主要用于汽车行驶时,能够适时地对轮胎气压进行自动监测,对轮胎漏气造成低胎压和高温高胎压导致爆胎进行预警,确保行车安全,因此逐渐成为市场主流。本文主要介绍基于MPXY8020传感器的直接式TPMS系统设计,并对直接式TPMS的设计难点进行分析。

  TPMS系统框图及系统工作原理

  TPMS系统由数个发射模块和一个接收模块组成。图1为发射模块框图,该发射模块安装在轮胎内,通过压力温度传感器可以测量该轮胎内气体的压力和温度,发射端中央处理器负责数据处理,并将发射机ID号、压力、温度等信息组帧后经曼彻斯特编码送到RF发射电路,最后由RF电路将数据FSK/ASK调制后通过发射天线发射出去。整个发射模块由一只电池供电。

发射模块

图1 发射模块

  图2为接收模块框图,该接收模块安装在驾驶室前端可以方便驾驶员看到的位置。RF接收电路通过接收天线接收发射模块的无线信号,并将接收到的信号解调、解码后送给接收端中央处理器,中央处理器处理数据后根据ID号将各个轮胎的压力/温度值显示在显示器相应的位置上,使驾驶员可以随时了解每个轮胎的压力温度信息,确保行车安全,如轮胎发生异常时接收模块会自动及时向驾驶员发出警报。接收模块可以用车载电源或电池。

接收模块

图2 接收模块

  基于MPXY8020传感器的发射模块设计

  TPMS系统中发射模块的设计采用摩托罗拉的MPXY8020和68HC908RF2,前者为电容式压力和温度传感芯片,后者为MCU和RF发射电路集成芯片。

  发射模块硬件电路设计

  MPXY8020是专用于TPMS系统的多功能、低功耗的传感芯片,其内部除了压力和温度传感电路外,还具有内部唤醒功能的数字接口电路,如图3。8020传感器与MCU的接口有6个端口:S1和S2是8020的工作模式控制端口,根据MCU对这2个端口的逻辑状态控制不同,8020可以分别工作在低功耗的待机模式、压力测量模式、温度测量模式及测量数据输出模式;DATA和CLK为软件控制的串行接口,进行测量数据的传输;OUT端口为复用端口,8020在待机模式下,可以每3s内部自唤醒并通过OUT端口以中断方式唤醒MCU。当8020在测量数据输出模式时,OUT作为内部比较器的逻辑状态输出;RST具有52min复位MCU的功能。

发射电路

图3 发射电路

  值得注意的是,8020传感器的A/D转换是逐次逼近型的反馈式转换器,其原理是8020内部具有8位移位寄存器,MCU通过8020的DATA和CLK端口首先输入10000000二进制数据,将8位寄存器D/A转换的模拟量与压力或温度的真实测量值进行比较,并判断OUT端口的状态,如果OUT端口为低,说明逼近值大于真实值,此时可以确定真实值最高位为0;如果OUT端口为高,说明逼近值小于真实值,此时可以确定真实值最高位为1。依次类推从高位向低位可以逐次逐位逼近真实测量值,这样MCU可以确定最终的压力和温度测量值。

  68HC908RF2内部高性能8位处理器主要负责与传感器的数据传输、数据分析处理及与RF发射电路的数据传输与控制。在图3发射电路中,PTA1和PTA2作为输出端口控制8020的工作模式;PTA3和PTA4作为输出向8020移位输入测量逼近值;PTA5是复用端,当MCU读取传感器的测量值时,PTA5通过OUT获取比较器的状态,当MCU在省电模式时PTA5作为键盘中断输入端口,通过OUT获得3s中断。另外,S1是速度开关,当汽车运行或停止时S1开关可以导通或闭合,这样MCU就可以根据车辆运行状态对程序作有效处理。

  68HC908RF2内部还集成一个多频带工作的FSK/OOK调制电路,其工作方式由数字控制端(BAND和MODE)的逻辑状态决定。BAND为工作频带选择端口,将BAND置高,并选择晶体振荡器Y1为13.56MHz,此时经过32倍频后产生载波频率为434MHz的RF信号。MODE为FSK/OOK调制模式选择端口,将MODE置高,RF电路工作于FSK模式。

  68HC908RF2虽将MCU和RF电路集成于一体,但其接口电路仍需要外部连接,如图3示。PTB1作为输出控制RF电路的使能端ENABLE;PTB2和PTB3作为串行口与RF电路的RFDATA和DATACLK相连,经过曼彻斯特编码后的压力温度等信息,以二进制数据流的方式传输给发射电路, 发射电路再以FSK方式进行发射。其FSK工作原理较为简单,当RFDATA输入“1”或“0”时,引起CFSK的输出阻抗的变化,从而切换晶体振荡器Y1的两个负载电容C1和C2,负载电容的改变使晶体振荡器的谐振频率发生很小的偏移,这样经过倍频后FSK信号就可以产生。

        发射模块固件程序设计

  发射模块的固件程序从功能上来看较为简单,但从系统的可靠性、使用寿命等方面来考虑,对程序设计的安全性、经济性、有效性等提出很高的要求。特别是依靠1块500mAh的锂电池TPMS发射机要工作8年以上,除了优秀的硬件设计外,固件程序对发射模块的各个电路进行经济、有效的控制显得尤为重要。

  图4为简单的程序流程图,考虑省电的问题,整个发射模块一般时间都处于省电模式。当MPXY80203s中断唤醒MCU后,MCU立即控制8020进行压力温度检测并获得压力温度测量值,MCU再对测量数据进行判断,看轮胎压力及温度是否处于正常状态:如果胎压、温度正常,再判断定时发送数据的时间,如果定时时间没有到就进入省电模式,定时时间到,则进行组帧、曼彻斯特编码、发送RF数据,最后再进入省电模式。相反,如果胎压、温度异常就直接进入发送数据的程序。

发射流程图

图4 发射流程图

  接收模块设计

  本系统接收机采用摩托罗拉的接收芯片MC33594和中央处理器68HC908GT16,显示器采用液晶显示屏。

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