可实现自主配置的新型TPMS设计

肖文光,李艳华,张建军,唐家文

(无锡商业职业技术学院 物联网与人工智能学院,江苏 无锡 214153)

在汽车内部众多电子控制单元中,胎压监测系统(Tire Pressure Monitoring System,TPMS)和遥控无钥匙进入系统(Remote Keyless Entry,RKE)是汽车安全、防盗系统的重要组成部分.直接式TPMS主要由轮胎传感器和胎压接收器组成.RKE系统主要由安装在车内的主控单元和便携式钥匙模块组成.

直接式TPMS各轮胎传感器与胎压接收器需要先完成位置匹配才能正常使用.车辆出厂前一般由厂家完成配置,当车主需要轮胎换新或调换时,只能去4S店或专业维修机构才能完成各轮胎传感器与胎压接收器的重新匹配.这种方式使得TPMS配置的时间、地点都受到限制,车主不能自主完成配置,使用不方便,且花费的精力和时间较多[1].

RKE和TPMS是基于无线通信技术进行数据接收和发送信息,二者在射频技术指标上的对比结果如表1所列.

表1 RKE和TPMS技术参数对比

由于RKE和TPMS在射频工作原理上存在共同点,可考虑将二者的无线接收器共用,减少硬件开销从而降低成本.文献[2]提出在无钥匙进入与无钥匙启动系统中集成TPMS的设计方案,文献[3]提出在车身控制器中集成TPMS的方案.这两种方案都是在车身控制器中集成TPMS,由于车身控制器需要驱动车窗、雨刮器等多个电机执行机构,控制电流很大,容易对TPMS无线通信产生电磁干扰,导致TPMS误报警或接收失败.

基于遥控钥匙的便携性和方便性,本设计考虑将轮胎传感器低频触发驱动电路集成到RKE钥匙中,同时基于共性设计的思想和CAN总线技术,提出一种可实现自主配置的复合型TPMS设计方案,为降低成本和提升产品性能提供了新思路.

1 系统描述

可实现自主配置的复合型TPMS主要由RKE钥匙、轮胎传感器、双模胎压收发器以及组合仪表、车身控制器组成,系统组成如图1所示.RKE钥匙内部集成有低频驱动电路,可以和轮胎传感器通过低频125 kHz进行通信;除了RKE系统使用的上锁、解锁两个按键之外,还需要至少一个低频触发“配置”按键.当汽车点火开关为ON状态时,胎压监测系统进入正常模式;当汽车点火开关为OFF状态时,胎压监测系统进入熄火模式.正常模式下双模胎压收发器只接收4个轮胎传感器的胎压检测数据,熄火模式下双模胎压收发器只接收RKE钥匙发送的按键指令.双模胎压收发器通过高速CAN总线与组合仪表和车身控制器连接,由组合仪表完成胎压数据的显示或报警,由车身控制器完成开门、关门、车窗玻璃升降等动作.RKE钥匙和双模胎压收发器之间的通信采用ASK调制模式.4个轮胎传感器和双模胎压收发器之间的通信采用FSK调制模式.RKE和TPMS的通信频率均为433.92 MHz.

图1 TPMS系统组成

2 硬件设计

可实现自主配置的复合型TPMS硬件设计主要包括低频驱动电路、轮胎传感器电路和胎压收发器电路3部分.

2.1 低频驱动电路设计

低频驱动电路的原理是单片机产生一个125 kHz的PWM信号,经低频天线和电容组成的LC串联谐振电路后变成正弦波,其驱动电路原理如图2所示.

图2 低频驱动电路

当电路的谐振频率与PWM信号的频率一致时,LC 电路阻抗最小,通过低频天线的负载电流最大,从而产生很强的磁场.由图2可知,当方波正脉冲输入时,经耦合电容C2、C3滤除低频分量和电阻限流后到达三极管V3、V4的基极.此时,V3基极电压接近VDD,V3管截止,V4管导通,L2、C5组成的低频谐振回路开始放电,谐振频率为125 kHz.D2、D3用于稳定功放三极管基极,R3、R4为发射极限流电阻.V3、V4基极并联电容C4用于调节功放三极管开关速度,降低由开关工作转换不理想带来的损耗,适当减小加速电容C4可以加快功放三极管的开关速度.PWM方波负脉冲输入时情况与上述刚好相反,V3管导通,V4管截止,L2、C5组成的低频线圈谐振回路开始充电,由此在低频线圈L2周围产生125 kHz电磁场[4].

2.2 轮胎传感器电路设计

轮胎传感器主要由单片机、传感器、射频单元、电池和天线5部分组成,传感器通常包括压力传感器、温度传感器和加速度传感器.随着微电子机械(MEMS)技术的进步,轮胎传感器朝着将单片机、传感器、射频单元等集中到一颗芯片的单芯片化方向发展,体积更小,功耗也更低,作为其典型代表的英飞凌公司的SP40应用电路结构如图3所示.SP40应用电路分为高频发射电路和低频接收电路两部分.

图3 SP40应用电路结构

2.2.1 高频发射电路

TPMS常用工作频率有433.92 MHz和315 MHz两个频点.美国、加拿大等北美国家主要采用315 MHz频点,而欧洲国家多采用433.92 MHz频点.SP40只需要一个26 MHz晶振即可同时支持315 MHz和433.92 MHz工作频率,而早期的传感器芯片通常需要两个不同频率的晶振.L2、L3、C4、C11、C12和C13组成了天线匹配网络,通过优化这些参数可以抑制谐波,实现特定阻抗的天线与SP40功率放大器相匹配,提高天线的效能.本设计采用气门嘴作为天线,通过软件仿真和反复测试验证,最佳匹配电路如图3所示.针对不同的应用对象,SP40有FSK、ASK两种调制模式可供选择.ASK调制模式是根据数字信号l和0开通或断开载波,抗噪声能力较差,易受干扰.FSK调制模式是按照数字信号的值来调制不同的载波频率(即0和1分别用不同的频率表示),抗干扰性能较强,由于汽车内部电磁环境复杂,所以本设计选用FSK调制方式,并通过寄存器XTALl和寄存器XTAL0实现.

2.2.2 低频接收电路

2.3 胎压收发器电路设计

图4 MAX7032应用电路结构

3 软件设计

软件设计主要包括自主配置步骤和胎压传感器软件控制流程两部分.

3.1 自主配置步骤

本设计实现用户自主配置包括下列操作步骤:

(1)汽车点火开关打到ON状态,在组合仪表上设置光标停在右前轮,并按照1秒周期进行闪动;

(2)将RKE钥匙距离右前轮气门嘴10 cm处,按下“配置”键触发右前轮内部的轮胎传感器;

(3)右前轮轮胎传感器立即检测轮胎内部的气压和温度信息,并和传感器芯片ID号打包成一帧数据发给胎压收发器;

(4)胎压收发器解调出数据帧并判断,如果正确则通过CAN总线发给组合仪表显示,如果错误则丢弃继续等待接收;

(5)组合仪表接收到正确的数据帧后,读取传感器ID号,将该ID号和右前轮匹配显示当前的气压值和温度值,并启动声音报警表示配对成功;

(6)设置光标到下一个轮胎位置,重复步骤(2)～(5)即可完成其余轮胎内部传感器的配对.

3.2 轮胎传感器软件控制流程

当汽车点火开关状态为ON时,TPMS进入正常模式;当汽车点火开关状态为OFF时,TPMS进入熄火模式.正常模式下,轮胎传感器的软件控制流程如图5所示,4个轮胎传感器分别按照2 min/次检测加速度,当连续5次加速度检测值在-5 g～+5 g区间时认为是处于停车状态,停车状态轮胎传感器控制流程如下:

图5 轮胎传感器软件控制流程

(1)胎压、加速度检测周期均为5 s,只检测数据不发射;

(2)当检测气压变化值超过0.3 bar,发送一次胎压数据更新显示;

(3)当检测到气压低异常状态时,按照30 s/次发送胎压数据,发送7次后按照4 min一次发送胎压数据,气压恢复正常则自动消除报警.

若加速度检测值超过±5 g时,则认为进入行车状态,行车状态轮胎传感器控制流程包括下列步骤:

(1)检测轮胎内部气压值,并按照30 s一次发送胎压数据,发送7次后按照4 min一次发送胎压数据;

(2)气压检测周期均为5 s,加速度检测周期为3 min;

(3)当检测气压变化值超过0.3 bar,发送一次胎压数据更新显示;

(4)当检测到气压低异常状态时,按照5 s一次发送胎压数据,发送7次后按照3 min一次发送胎压数据,气压恢复正常则自动消除报警.

熄火模式下,胎压收发器内的无线收发器MAX7032进入ASK接收状态,开始接收遥控钥匙发送的遥控命令,此时收发器对其他FSK信号是不能解码的.此外,胎压收发器的发送功能只在与遥控钥匙进行配对时启用[8].

4 性能测试

TPMS的性能测试包括接收灵敏度测试、发射功率测试、传感器功能测试和传输距离测试等多个方面,下面着重对双模胎压收发器的接收灵敏度测试方法和测试结果进行说明.

接收灵敏度的测试需要用到的测试仪器包括信号发生器、示波器、直流稳压电源、串口转换板和误码率测试软件等.测试原理为:①信号发生器模拟轮胎传感器模块产生特定频率的方波信号并调制高频输出;②输出射频信号加之无线收发器MAX7032的接收天线处;③MAX7032解码输出原始方波信号送入单片机定时捕捉引脚;④单片机根据设定脉宽门限判断方波信号对错,判断结果通过串口转换板发送到误码率测试软件;⑤测试软件统计接收1 000次出错的次数,错误次数不超过2次就是合格的,即误码率≤0.2%.误码率测试介面如图6所示.

图6 误码率测试界面

MAX7032的灵敏度测试包括ASK灵敏度测试和FSK灵敏度测试.以FSK灵敏度测试为例,测试前信号发生器调制频率设为433.92 MHz,方波信号频率设为2 kHz,FSK频移设为50 kHz.信号发生器输出功率设为-107 dBm时,用示波器观察MAX7032的DATA引脚输出的波形如图7所示.可以看出,此时MAX7032解调输出的方波信号还是很清晰完整的,没有过冲或杂散脉冲.

图7 MAX7032解调输出波形

用误码率测试软件对MAX7032解调输出的方波信号进行误码率测试,测试部分结果如表1所列.

按照误码率测试要求,2 kbps调制信号的测试灵敏度约为-107 dBm,与数据手册相符,达到了设计要求.

5 结语

本文从方便用户使用和低成本设计的角度出发,提出了一种可实现用户自主配置的复合型TPMS设计方案.采用该方案设计的TPMS系统使用方便,轮胎传感器和胎压接收器匹配不受时间、地点限制,车主完全可以自主实现轮胎配对,同时使用TPMS和RKE射频共性设计,通过CAN总线实现多单元互连,简化了控制电缆及其走线,对降低研发成本促进TPMS普及应用具有重要意义.