基于MPXY8020传感器的TPMS系统设计分析

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。



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|显示器件。

接收模块硬件电路设计

MC33594是一个具有自动增益控制的高灵敏度的OOK/FSK解调芯片,内部包括混频、中频放大、锁相环、解调、数据管理及SPI接口等电路。MCU可以通过SPI接口对MC33594的内部寄存器进行配置,从而设置该接收芯片的调制类型、数据接收码速率、RF载波频率等信息。图5为TPMS接收电路,MC33594通过接收天线接收发射机发射的RF信号,将RF信号解调后通过SPI接口以中断方式传输给68HC908GT16(MCU),MCU负责处理数据、显示数据,并在必要时启动报警电路。



图5　接收电路

接收模块固件程序设计

接收程序与发射程序类似,虽然功能简单,但从可靠性来看,特别当一个接收机要同时接收4个发射机甚至更多发射机的数据时,接收程序处理数据的有效性、及时性显得更为重要。

图6为接收机程序流程图,考虑接收数据的有效性,我们设计SPI中断方式接收数据,收到数据帧后MCU解析出发射机的ID号、压力值、温度值等信息,再判断该发射机的ID与本接收机内存储的ID是否一致,如果不一致,则丢弃该组数据并进入省电状态。如果ID一致,则处理数据并根据ID显示相应轮胎的压力温度数据,在压力或温度超出正常范围时能及时、准确地报警。



图6　接收流程图

无线通讯及协议

TPMS系统无线通信的设计关乎整个系统数据传输的可靠性,接收芯片MC33594提供了灵活的软硬件通信资源。通过软件对MC33594的内部寄存器CR1、CR2、CR3进行编程,设定本TPMS系统的载波频率为434MHz,无线数据传输速率为9600bps。发射模块与接收模块的数据传输采用固定帧长,格式为：帧头(2字节)+发射机ID(4字节)+压力数据(1字节)+温度数据(1字节)+状态信息(1字节)+校验(1字节)+帧尾(1字节)。

其中帧头包含同步头、预设的ID信息(用于RF信号识别)、报头标志(为二进制曼彻斯特编码0110),同步头用于唤醒MC33594的内部电路,并通过PLL锁定RF载波频率;预设的ID信息用于识别系统信息的匹配;如果预设的ID信息匹配,则启动数据管理器,再判断报头是否到达,收到报头后正式接收数据。

TPMS系统设计中的难点分析

信号可靠性要求

TPMS是一个测量胎压、温度等,涉及安全信息的无线收发系统,其信号可靠性是设计中始终要考虑的问题。该信号可靠性包括两个方面：数据接收率和误码率。数据接收率是指接收机能否可靠地收到发射机发射的每一帧数据,不仅涉及接收机的灵敏度和发射机的发射功率,还有一个重要的影响因素：当发射机装入轮胎而接收机放入车内时,车体本身相当于一个屏蔽盒,对信号的衰减相当大,再加上多个发射机的数据冲突及周围环境的干扰等,导致系统的数据接收率较低。误码率是指发射机发射的信号在传输途中因为外界环境干扰致使接收机收到错误的数据信息,导致系统可靠性降低。

在基于MPXY8020的TPMS设计中,我们采用高增益的发射天线及匹配电路使发射功率达到理想的设计要求,特别在接收端除了匹配电路设计外,一方面,根据汽车上无线电传输路径的研究分析,采用双天线的接收模式;另一方面,根据多发射机发射信号的随机性和冲突性,采用时差间隙发送数据的方式进行发射,并在接收软件的设计中采用中断接收循环处理的接收模式,这样TPMS信号 接收率可高达98%以上。另外在软件设计中对传输数据采用多种校验方式相结合的方法,使系统的误码率大为降低。

当然,频繁的发射数据可以增加接收机接收数据的几率,从而提高系统可靠性,但这样会大大降低电池的使用寿命。

环境要求

TPMS作为汽车上应用的产品,其环境适应方面要求相当严酷,特别是发射机,除了温度范围宽以外,还要达到防水、防盐雾、抗振动、抗冲击、电磁兼容等诸多要求。这样对原材料提出很高的要求,比如电池的工作温度必须达到-40～125℃;发射机外壳必须采用高强度、高韧性、耐高低温的材料等。TPMS发射机的生产工艺也要求很高,比如采用密封、灌胶等工艺,还要在生产过程中设计诸多的环境试验。

关键元器件之一的电池,采用TADIRAN的TLH2450电池,达到温度的设计要求;结合发射机外壳的环境要求和基于对各种塑料材料的特性分析,采用尼龙、玻纤等合成材料设计发射机外壳,达到了抗振动、抗冲击、耐高低温等设计要求;另外,对发射机的制作采用灌胶密封的方式,即使将发射机全部浸没水中,也可以正常发射数据。