基于智能传感器MPXY8320A的TPMS系统设计

2010-08-14肖文凌玉华廖力清

单片机与嵌入式系统应用 2010年3期

关键词：外置存储器无源

肖文,凌玉华,廖力清

(中南大学信息科学与工程学院,长沙410083)

肖文(硕士),研究方向为电路与系统。

1 TPMS系统的发展历史和趋势

1.1 TPMS系统的发展历史

国际市场,1997年,通用汽车公司开始使用间接式汽车胎压监测系统 TPMS(Tire Pressure Monitoring System);2000年5月,直接式TPMS在美国上市;2002年发布的世界新车资料中显示,美国福特公司的林肯大陆、戴姆勒-克莱斯勒公司今年夏天上市的道奇(Dodge)迷你厢型车及Chrysler300M等系列车型,都将装设直接式TPMS。许多欧洲的汽车厂商也已将直接式TPMS配装于自己的中高档车型之中,其中包括宝马公司的Z8、欧宝2002年版威达、雪铁龙公司的C5,阿斯顿·马汀公司的超级跑车Vanquish、旁蒂克的旗舰Bon nevilleSE等等。国内汽车制造巨头也已开始考虑将TPMS作为原厂装备的标准配置。2003年5月,日本ALPS电气公司从德国IQMobil GmbH获得了不使用电池的TPMS技术,并签订了独家专利授权合同。借用该技术开发的TPMS己通过欧洲和美国的电波法认证试验,并于2004年6月起提供工业样品,2005年量产供货[1]。我国也在2000年前后通过引进技术的方式开始了TPMS的生产。

1.2 发展趋势

直接式TPMS和间接式TPMS各有自己的优缺点。直接式TPMS可以随时测定每个轮胎内部的当前压力,很容易确定故障轮胎。间接式TPMS相对便宜,使用间接系统,己经装备了4轮ABS(每个轮胎装备1个轮速传感器)的汽车只需对软件进行升级[2];但是,目前这类系统没有直接系统准确率高,无法监测出多个轮胎同时缺压或高压的情况。显而易见,直接式 TPMS更有效,因此,目前直接式TPMS正逐步取代间接式TPMS而成为轮胎气压监测系统的主流。但是,有源 MEMS式 TPMS传感器/发射器需要电池提供动力,因此不可避免地带来一些弊端,如电池的寿命有限和电池的存在很难降低发射器的重量等。从长远来看,无源MEMS式TPMS以其无可比拟的优点将成为未来TPMS发展的趋势[3]。

2 无源化

如果胎内模块可以实现无源(即无电池),则上述问题都可以迎刃而解。为达到以上目的,下面主要阐述TPMS无线无源化发展的几个实现方案:

①轮胎内模块有发电装置,将轮胎运动的机械能转化为电能。此为压电发电方案。

②从轮胎外通过电磁场传入能量,驱动轮胎内模块工作,发射压力信息。此为磁场电磁耦合方案。

③轮胎外发射电磁波,碰到轮胎内模块内置器件后反射,同时携带回压力信息。此为声表面波无源无线传感器方案[4]。

3 外置编码存储器轮胎定位

外置编码存储器轮胎定位技术是一种新型的TPMS轮胎定位技术。采用外置编码存储器的TPMS同样由发射检测模块和接收显示模块组成,其特征在于接收显示模块接有插入式编码存储器,每个发射检测模块均有一个固定的ID码,与对应编码存储器的ID码一致。轮胎换位或者更换时,只需调换或更换插入式编码存储器。外置编码存储器式轮胎定位技术,通过调整显示模块编码存储器中的ID码与每个发射检测模块中的ID码的对应关系,将重新识别身份的问题转换成ID码的换位设置问题,是简单、有效的解决方案。其插头插入的操作方式简单可靠。通过I/O读入插入式编码存储器电路中的编码,避免了用无线方式读入ID编码,从根本上解决了干扰的问题,实现原理如图1所示。

图1 外置编码存储器原理框图

系统在工作时,中央接收、处理模块先依次读取外置编码存储器中的ID码,然后重新设置存储在接收显示模块存储器中的ID码与轮胎对应定位关系信息,并予以保存。一旦中央模块接收到轮胎检测模块发射过来的信息,马上将接收到的信息解码。在获取其中的ID码后,根据前面设定的ID对应定位关系信息即可判断出是来自哪一个轮胎中的发射检测模块,并执行相应的显示等动作。外置编码存储器的设计可以分为接口电路和ID存储器两部分:接口电路作为外置存储器和主控制器的连接接口,根据汽车的应用环境,要考虑接口的可靠性、抗震性需要;存储器可以采用移位存储器(简单、需要主控制器I/O口少、读取速度稍慢)、矩阵存储器(读取速度快、占用主控制器I/O口多)或者SIM 卡和IC卡(可靠性高、体积小、成本高)的形式。综合考虑,本系统采用移位存储器。工作流程为:每当安装新轮胎或者轮胎换位,立即切换到ID读入操作界面,将相应外置编码存储器插上读取接口,进行ID的读入工作并分配其所属轮胎位置。读取完毕,可以取下外置存储器(卡)[5]。

4 TPMS系统

4.1 基本原理

由安装在轮胎内部的检测模块,实时测量胎内压力、温度,并将压力、温度信号通过无线方式发送出去。安装在驾驶室内的主控模块接收无线信号,经过数据处理,再由显示装置显示出测量结果,实现行驶过程中轮胎状况的实时监控。TPMS基本结构如图2所示。

4.2 硬件设计方案

主控制器电路原理如图3所示。主控制器模块采用稳定、可靠的微控制器C8051F531A,其内置振荡电路和增强型的SPI接口,外扩SPI无线接收芯片MC33594和操作简单、方便的并行液晶模块。

图2 TPMS基本结构框图

图3 主控制器电路原理图

检测模块由胎压测量专用高集成芯片MPXY8320A微控制器和电源组成,检测模块电路原理如图4所示。MPXY8320A工作在DC 2.1～3.6 V,具有低功耗的效能以延长电池寿命。MPXY8320A最大的特点是,其内部集成了8位MCU、适应载重型轮胎的压力传感器、温度传感器、供电电源电压监测、X-Z轴上的加速度传感器以及RF发送模块,所以MPXY8320A是一款专为交通工具胎压测量而设计的高集成芯片。由于器件的高集成度,在体积上、功耗上、电磁兼容性方面都有很出色的表现。