TPMS方案设计及芯片选择

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1、前言

轮胎压力监测系统(TPMS -Tire pressure monitoring system)对于提高汽车安全性有举足轻重的影响,当今世界己有不少国家高速公路安全协会因此立法强制实施TPMS。而低功耗、在恶劣环境下高度运行的 可靠性、较小的压力传感器误差容限,以及更长的工作寿命等是TPMS的主要要求,于是方案的设计和芯片的选择也围绕这个要求进行。

1.1目前TPMS主要有三种实现方式

直 接TPMS系统、间接TPMS系统和正在推出的混合TPMS。但是,间接TPMS有一定的局限性,采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因 子。直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后,这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析,分析结果 将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同,它可以显示每个轮胎的实际气压,甚至还包括备用轮胎的气 压。因此,直接TPMS可以连接至显示器,告诉司机哪个轮胎充气不足。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到 7kPa--1.0psi的压降。为满足多轮压力检测要求,由于系统安装了直接气压传感器,混合TPMS能够克服常规直接TPMS的局限性,它们能够检测 到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎,当所有4个轮胎都处于低压状态时,系统也可以检测到故障。

1.2下一代新型系统,就是将集成车轮模块所需的感应功能和发射功能。

这 就意味着,MCU、传感器和射频发射器都被封装在一起。与现有的产品相比较它集成了气压传感器、加速度传感器、温度传感器、搭载片上闪存的8051微处理 器、低频接收器接口以及315/433/868/915MHz射频发射器。除减少组件数量外,它还可以降低系统总体成本,因为板卡设计更加简单,尺寸更 小。而另外一项重要的设计挑战来自于无线控制,第一代TPMS发送器的设计采用SAW共振器的ASK调制技术来产生适当的发射频率。该 ASK系统虽然非常廉价,但却容易受到由于车轮(发送器安装在其上)旋转所导致的接收场强变化的影响。出于这一原因,现在的TPMS都采用基于晶体振荡器 的FSK调制方法和PLL合成器来产生中心频率和频率牵引。

值此本文将以基于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的方案为例作分析,并对用于TPMS新型芯片作介绍。

2、基于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的设计方案

为 实现长期(≥10年)使用寿命这一目标,必须使用低功耗集成化部件。电源管理因此成为首要的挑战。也就是说TPMS面临的主要问题是在有限的能源下能有较 长的使用寿命。可以通过采用低功耗的压力传感器、分析测量所得数据并结合车辆实际情况(熄火或运行)来改变监控系统的工作方式及高效的数据采集控制算法等 方法来降低整个系统的功耗。

由于将研讨LIN总线应用于TPMS,并用MCU、RF和传感器实现TPMS见图1直接式基于LIN总线的 TPMS方案示意图。而实用 TPMS示意的轮胎气压监测系统,是由与轮胎阀一体的4个讯号发射器、收讯天线、收讯器及讯号显示仪四类部件组成的。为此有必要先对汽车应用的LIN总线 有关技术作介绍。

 


 

2.1关于汽车应用的LIN总线技术

2.11LIN总线LIN总线的主要特征为API到物理层的结构

针 对汽车应用的LIN 1.0(本地互连网络)和LIN 2.0总线系统,它的目标是低成本应用,除了TPMS外还有电动门、电动窗、侧镜、雨刮器、座椅安全带报警、外部照明等。LIN总线的传输速度最大为 20kbps,而且它在单通道总线环路中最多能支持16个节点,总线电缆的长度最多可以扩展到40米。LIN足一种基于通用SCI(UART)字节接口的 单线串行通讯为协议。图2(a)框图所示为LIN总线API到物理层的结构。而LIN总线的主要特征为:—个主节点、多个从节点的概念,无需总线仲裁;低 成本:基于普通UART/SCI接口硬件;自同步,在从节点中不用晶体振荡器或陶瓷振荡器时钟;保证信号传输的延迟时间;低成本单线实现连接;速度高达 20kbps;基于应用交互作用的信号;LIN总线的驱动/接收器规范遵从IS09141标准。

 


 

2.12LIN拓扑结构

LIN 采用单主机多从机模式,一个LIN网络包括一个主机节点和若干个从机节点。(由于过多节点将导致网络阻抗过低,一个L1N网络中节点总数不宜超过16。) 主机节点既包括主机任务也包括从机任务,从机节点都只包括从机任务,如图2(b)为LIN拓扑结构示意图。主机节点也可以通过网关和其他总线如CAN连 接。

2.2 于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的系统设计

图1描述了基于L1N总线的TPMS总体结 构,其中中央控制器的功能主要有三:通过LIN总线通知LIN从节点唤醒相应轮胎内的发送模块;通过LIN总线返回LIN从节点接收到的轮胎压力等数据; 分析、显示已及声光报警。当LIN从节点接收到LIN 主节点发出的唤醒命令时,该节点会向发送模块发出LF唤醒信号,让其进入工作状态。LIN主节点Master向LIN从节点发送获取命令帧,LIN从节点 把数据通过LIN总线反馈给LIN主节点(主控)。

2.21轮胎内压力传感IC与发送IC合成的模块与芯片选择

*轮胎内的压力传感IC与发送IC合成的模块

由 于轮胎内的压力传感IC与发送IC合成的模块都放在轮胎内,所以对IC的要求特别高,一般有如下要求:工作温度-40℃—125℃,短时间内达150℃; 低功耗来保持电池寿命;能承受2000G(250kmh轮胎转动时的离心力;传感器能保持长期的稳定;IC体积少,重量轻;带有压力与温度和电压检测。图 3左虚线框是基于轮胎内的压力传感IC与发送IC合成的模块示意结构图。其中压力传感器IC是一款集成了压力、温度、电压检测传感器、LF、MCU的 IC。而发送IC是RF发射芯片系列。

*压力传感IC与发送IC合成的模块芯片选择及特征


 

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