用于轮胎压力监测系统的技术与芯片应用特征

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



图3左虚线框为轮胎内的压力传感器IC和发送IC为freescale公司的Mpxy8020A6或Mpxy8040A芯片和 MC68HC90RF2芯片。 Mpxy8020A6它内含压力传感器、温度传感器、电源控制和电池电压检测，唤醒功能的定时器，属表面微机械CMOS加工工艺，SSOP封装；而UHF 发送器+MCU(Flash)的MC68HC90RF2内含为2K用户FLash ROM，定时器，集成的射频(RF)发送器，低电压检测和RAM及内部时钟发生器。则整个图3左虚线框为Mpxy8020A6A与MC68HC90RF2 合成的遥测模块示意图。其图3右侧MC33591为UHF接收器内含锁相环(PLL)超高频开关键控(00K)接收器；MC912DP256 接收端控制器内含256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作须频率。

当然轮胎内的传感器IC也可以选择Melexis公司的MLX90603芯片。MLX90603它内部有16bit RISCMCU，8K byte Flash，256 byte RAM和128 byte EEPROM。MLX90603还有125KHz或13.56MHz LFinterface和压力传感器的补偿接口(sensor interface)在IC内。最大的特点是它有不同的工作模式Shelf mode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和适合RFID、RF应用的TDMA(Tag Direct Memory Access)mode，。这些都为降低发射端功耗、延长电池使用寿命提供了最大的可能性。在发射IC方面，Melexis有不同频率和调制的IC和汽车级IC(工作温度-40℃-125℃)，如315MHz，433MHz，868MHz和915MHz等ISM band频段，IC FSK，ASK和FM等不同调制IC，可在1.85V-5.5V宽电压范围内工作，并且发射功率可在-12dBm--+10dBm范围内调节。

2.22接收模块与芯片选择

其图3右侧MC33591为UHF接收器内含锁相环(PLL)超高频开关键控(00K)接收器；MC912DP256接收端控制器内含 256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作须频率。当然对于接收模块处于LIN网络的主节点即中央控制器，见图1所示。也可选择MLX82001 ， 该芯片是一个6位的、集成了LIN2.0并带有增强型UART的MCU；从节点可选择MLX81100集成了双任务CPU和LIN收发器，是专门为LIN 总线应用设计的MCU。

2.3 TPMS系统软件设计考虑

在设计一个运行稳定、功效高的系统时，需要考虑的第一个因素就是软件。因为车轮模块通常是用微控制器来执行命令的，所以应采用一种智能化算法实现预期的功效。其次，使用低频功能是控制TPMS的非常有效的方法。在使用低频接口时，感应模块可以始终处于电源关闭模式，只有在收到唤醒信号后，传感器才会进行测量和数据传输。除了降低功耗以外，低频接口还具备设计灵活性和其他一些优势。例如，低频通讯可使系统通过低频接口向微控制器发送特定命令，以对轮胎进行重新校准和定位。值此以MLX90603带有LF(Low Frequency)接口为例的发送模块软件设计方案作一说明。MLX90603带有LF(Low Frequency)接口，因此可以在大部分时间内将发射端处于休眠模式，需要时通过低频信号将其唤醒，进而进行测量并通过TH720x发射芯片将测量得到的数据发送给相应的LIN从节点。图4是发射端的部分流程图。本方案中，充分利用了MLX90603 中集成的TDMA(Tag Direct Memory Access)模块，在MLX90603采集完数据后，配置TDMA、RF所需的寄存器，即可将MLX90603进入Sleep mode，利用TDMA模块自动把要发射的数据传输给RF，以充分节省功耗。由于发射端工作在恶劣环境下，为了保证发送端和接收端进行可靠的数据传输，考虑到本应用信息量小、数据简单的特点，我们采用信息冗余的方法来保证数据的可靠接收，即一帧数据发送N次。根据采集到的数据动态调整发送次数N。