基于SPl3的汽车轮胎状态监测系统设计

2011-11-15刘堂胜徐林林

中国科技信息 2011年10期

关键词：器件轮胎天线

刘堂胜徐林林

1.江西交通职业技术学院；2.江西交通职业技术学院江西，南昌 330013

基于SPl3的汽车轮胎状态监测系统设计

刘堂胜1徐林林2

1.江西交通职业技术学院；2.江西交通职业技术学院江西，南昌 330013

本文给出了一种用于检测汽车轮胎压力和温度状态的传感器系统设计方案。文章详细介绍了该系统的总体设计方案以及软、硬件设计方法。

轮胎压力监测系统（TPMS)；SPl3；传感器；微功耗；轮胎压力

1.前言

近年来，我国道路交通事故率持续维持高位，而这当中轮胎问题已成为造成和诱发交通事故的重要原因之一，尤其在高速公路中行驶更是如此。高速公路上发生的交通事故很主要的一个原因就是轮胎爆胎，如何防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要研究课题。据有关分析，保持标准的轮胎气压行驶和及时发现轮胎漏气是防止爆胎的关键，而汽车轮胎压力监测系统（Tire pressure monitoring system，以下简称TPMS）无疑将是理想的工具。试验结果表明，TPMS作为主动安全装置对防止汽车在高速行驶时发生爆胎发挥了不可替代的作用。因此，在汽车上安装轮胎压力监测系统，将与安全气囊及ABS等一样，成为必然的发展趋势。

2.系统综述

目前，TPMS主要分为两种类型：间接式和直接式。间接式系统通过汽车ABS的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。直接式系统则是利用安装在每一个轮胎里的以锂电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线电频率调制发射到安装在驾驶台的监视器上。驾驶者通过监视器可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低、渗漏、太高、或温度太高时，系统就会自动报警。直接式TPMS已逐步取代间接式TPMS而成为轮胎压力监测系统的主流。

直接式系统的核心是安装在轮胎内部的传感器模块。它在电池供电下可以工作5～7年。因此要求系统采用微功耗设计。另外，由于安装在轮胎内部，对传感器尺寸、重量以及可靠性都有严格要求。本文给出了基于PIC单片机的无线收发芯片rfPIC12F675及多功能集成传感器芯片SPl3设计的一种用于检测汽车轮胎压力、温度状态检测的传感器系统。

3.性能指标与总体设计

3.1 性能指标

该智能传感器系统的主要性能指标如下：

压力测量范围：50～637 kPa

温度测量范围：-40℃～+125°C

通信频率：315 MHz

最大发射功率：+9 dBm （50Ω 负载）

接收灵敏度：－80dBm

传感器采用3V锂亚电池供电

3.2 总体设计

该TPMS系统以rfPIC12F675单片机为核心，并包括三合一集成式传感器芯片SPl3。其中SPl3可在单片机的控制下测量车胎的压力和温度值，并以数字量形式输出.再经过单片机MCU打包后通过rfPIC12F675发射出去。同时，单片机也通过rfPIC12F675接收主机发来的指令，完成相应的控制或参数配置任务。本设计并不涉及监视器部分的硬软件设计。

4.硬件设计

4.1 传感器/ 发射器（S/TX）模块

在每辆车上通常有5个S/TX单元，4个轮胎和备胎上各有1个。各个单元都有唯一的编号，以便系统区分各个轮胎。S/ TX周期性测量轮胎的内部压力、温度和电池状况。然后将测量信息转换成RF信号发送到中央接收器。本设计中芯片部分基于Microchip 的rfPIC12F675，而压力与温度的检测则由Sensonor公司的SP13传感器IC来完成。该单元还设置了LF接收器单元，用于和S/TX器件通信，并将其从休眠状态唤醒。

S/TX模块包括两个集成电路：rfPIC12F675 MCU/RF发射器IC和SP13。此外，S/TX还包括LF（低频）输入电路，该电路可使S/TX器件通过LF链接接收特殊指令。

4.1.1 rfPIC12F675发射器IC

基于PIC12F675的rfPICTM是S/TX的核心器件，该器件内部有一个RC振荡器，并包含RF发射电路，还装有一个内部比较器（它在解码LF链接信息时起到重要作用）。

rfPIC有三大功能，监视SP13传感器IC数据线和LF输入，定期汇编并发射RF信息。上电后，rfPIC将执行初始化程序，随后进入休眠模式，直至检测到SP13数据或LF输入状态变化才被唤醒。当某个输入产生唤醒事件后，会使rfPIC切换到运行模式。

4.1.2 RF电路

rfPIC中的PLL形式发射器只需最少的外部元件就能完成RF发射。发射器的基频由Y1确定，L3通过C3和C8与单端RF驱动器匹配，同时也构成了谐振回路，选择C4为3V电源提供去耦。由L2和R6形成的滤波器可进一步帮助其他电路滤除高频能量。R6同时也能降低天线的Q值。发射电路的输出功率通过R8进行调整，开路时输出功率最大。其电路图如图2所示。

图1 RF电路图

4.1.3 Sensonor SP-13 传感器IC

SP13传感器IC具有多种功能。它用于测量压力和温度，且在电池电压低于预定门限值时生成一个标志。其内部电路如图3所示，SP13有5种工作模式：

1）存储模式：如果压力低于1.5bar, 则每60s测一次压力且不发送数据。如果压力高于1.5bar，元件则切换到初始模式。

2）初始模式：在上电时或在压力从存储模式增至1.5bar以上时进入该模式。当压力高于1.5bar时，器件将切换到正常模式。如果压力小于1.5bar，器件将切换到存储模式。

3）正常模式：每3.4s测一次压力且每60s发送一次数据。如果每60s前后得到的压力差大于0.5bar，器件将进入压力报警模式。

4）压力报警模式：此模式的测量和发射形式与初始模式相同。

5）高温报警模式：如果温度超过了120° C，SP13器件将进入与初始模式相同的测量与发射模式。SP13还包括一个32位标志号，该标志号在生产时编入器件。此ID是唯一的，中央接收器可使用它区分各S/TX。

图2 SP13 内部电路

4.1.4 LF命令器

LF命令器可通过125 kHz ASK调制信号向S/TX单元发送特定指令。LF链接可实现短程通信（小于等于1米），这使得该链接可在其直接范围内与轮胎进行通信。LF磁场通信用于向S/TX器件发送指令。S/TX器件接收到指令后，将立即按照指令完成特定任务。

4.1.5 LF 输入电路

LF输入电路用于接收和解调125kHz信号并将收到的数据转换成特定的指令。LF感应输入由L1和C11构成。D3用于将LC谐振回路上感应的电压钳位在安全电平。LC回路输出经过限流电阻R5送入IC比较器的负输入端。比较器输出则送至由D2、C9 和R3组成的包络检波器。使用C9和R3对LF频率进行充分过滤，使之不在期望的数据信号边缘波动。然后将包络检波器的输出直接送至rfPIC的输出引脚，用于处理LF数据。其电路如图4所示。

图3 LF电路图

4.2 电源及辅助电路

TPMS供电系统一般采用小尺寸电池,考虑到电池容量、寿命及温度适应性，本设计电池选用TADIRAN LTH2450锂亚电池，以保证远程轮胎压力监测模块在高低温环境中都能正常工作，满足TPMS宽温度范围的要求。

4.3 TPMS的天线及天线驱动器IC

4.3.1 天线驱动器IC

本系统采用Atmel公司的125kHz BCDMOS天线驱动器IC——ATA5275，该IC具有自谐振功能，采用了一个PLL电路输出接近于天线振荡电路谐振频率的频率信号，当天线半桥工作时，该VCO可通过过零检测跟踪天线电流，以保持VCO提供天线的中心谐振频率。可工作在最大电压、最大电流和最大场强条件下，且无需外部晶振作为参考时钟。

4.3.2 天线

天线是远程轮胎压力监测模块发射功率提升的关键，天线技术涉及天线的几何形状、材料、介质等诸多因素。TPMS发射器的天线靠近气门嘴，位于轮毂内，因而在设计天线时必须考虑金属轮毂和轮胎金属丝网的屏蔽，以及车轮高速行驶时天线不断变换方向、角度的影响。本设计中将采用螺旋天线，其可能是一种比较好的选择，它可扩大发射和接收的角度，有效地克服静动态盲点。

5.软件设计

5.1 主程序流程

本系统开机后，首先执行上电初始化程序，然后进入休眠模式以节省电能。当到达定时开机时刻，传感器模块的处理器将被外部中断唤醒，并执行开机检测程序，一般在车辆移动时才执行检测，否则返回休眠模式。当系统启动状态检测后，传感器模块依次检测轮胎内的气压、温度、电池电压等信息，并将检测值与预定警戒值做比较，以判断是否出现异常，并执行相应的警告动作。若系统遇到停机指令，则停机，否则返回休眠模式。

5.2 开机检测

车辆移动时。SPl3芯片可以测量出加速度的变化，当加速度超出设定的门限值即判定车辆在移动。

5.3 状态检测

状态检测是该智能传感器核心功能，主要包括气压检测、温度检测，以及电池电压检测。

由于SPl3芯片集成了气压检测、温度检测及电压检测功能，因此，它们的状态检测程序流程与加速检测基本类似，主要是对SPl3的通讯。各种状态检测流程图见图4所示。