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引言 據調查，高速公路發生的嚴重交通事故，有很大比例是由汽車輪胎欠壓引起的。為防止此類事故發生，美國國會通過TREAD法案，強制要求汽車安裝輪胎壓力監測系統(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)，得到世界各國積極響應。因此，在未來汽車上加裝輪胎壓力監測系統，將和ABS、安全氣囊一樣，成為必然的發展趨勢。 TPMS系統分為直接式TPMS和間接式TPMS兩種。其中間接式TPMS是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較車輪之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的，其精度較低。直接式TPMS工作原理是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器和溫度傳感器來直接測量輪胎的壓力和溫度，并對各輪胎氣壓進行顯示及監控。它的優點是，在輪胎壓力過高、過低，輪胎緩慢漏氣或溫度異常變化時，可以及時向車載無線接收器報警，有效防止爆胎，同時監測所有輪胎的狀況，并且系統對汽車的行駛速度沒有要求。 目前提供TPMS配套方案的半導體廠商很多，芯片廠商主要包括飛思卡爾(Freescale)、英飛凌 (SensoNor)、GE(NovaSensor)、Atmel、Maxim、東芝、NXP、Omron、MelxiS、RFMonilithi等公司。其中GE、飛思卡爾和英飛凌公司具有從胎壓傳感器、RF發射及接收器，到MCU的完整產品線，其他半導體公司主要提供從胎壓傳感器、RF、到MCU的若干配套方案。 從20世紀90年代開始，GE公司通用NovaSensor就提供壓力傳感器及TPMS系統方案。2004年其 NPX系列壓力傳感器開始供貨，NPX I芯片整合了壓力、溫度傳感器及8位RISC MCU，NPX II與NPX I相比較又整合了慣性感應器；2006年推出的NPX III除具有以上功能外，更把RF發射電路整合一體，成為單芯片方案。NPX系列芯片由于性能優越、工作穩定，被世界一流汽車配套廠商廣泛采用。本文介紹基于GE公司NPX I芯片的TPMS系統設計方案及實現方法。 1 直接式TPMS設計 直接式TPMS系統框圖如圖1所示。一般來說，TPMS系統需要4個發射模塊和1個接收模塊。4個發射模塊都需要與接收模塊進行數據傳輸，因此如何使它們之間的通信工作協調、有序地進行，成為設計中需要注意的問題。 
對于GE公司提供的方案，溫度和壓力傳感器、A／D轉換器及8位的MCU都整合進NPX系列芯片之中，使得數據采集與傳輸中的通信設計大大簡化。對于NPX I和NPX II芯片，只需要配合合適的射頻發送電路，就可以實現發送模塊的全部功能。如圖l(b)所示，TPMS系統的接收模塊包括解調電路、接收處理、顯示及控制接口4部分。解調電路將接收的射頻信號放大解調后，將數字信號送給微處理器串行接口；微處理器再進行譯碼，從數據流中提取各輪胎的位置、溫度和壓力值，然后做出相應的處理，如更新顯示、聲光報警等。 1．1 發送模塊硬件設計 GE公司一直致力于TPMS傳感器產品的開發，其產品NPX I芯片集成了壓力傳感器、溫度傳感器及1個8位RISC微處理器。NPX I芯片具有4 KB的用戶可編程空間、4 KB的定制ROM，以及一個2D的LF輸入級。各類傳感器的信號經12位ADC轉換后，提供給用戶和系統進行進一步的處理。在4 KB的定制ROM中，固化了GE公司特有的壓力、溫度和電壓測量、補償和校準程序，以及其他實用的子程序，用戶可省去繁復的運算編程，只需簡單調用即可獲得需要的狀態值。在開發階段，GE公司可以提供可編程版本的傳感器，用戶可以通過仿真器編程器將程序下載到器件的4 KB用戶可編程空間中。下載程序之后的傳感器可以直接運行使用，或者通過仿真器進行實時仿真單步調試。調試環境與一般的單片機非常相似�？蛻舸笈可a版本的傳感器可以通過掩膜ROM工藝生產，以進一步降低成本。 由NPX I芯片實現的發送模塊如圖2所示。
為了保證系統在較低電流消耗的情況下仍有較高的發射功率和接收靈敏度，系統選用了NXP公司的高集成度的單芯片發射器PCH7900。 PCH7900芯片集成度非常高，只需很少的外圍元件就可以用于315／434／868／915MHz、數據速率高達40 kbps的ASK和FSK調制發射機�；赑CH7900的射頻數據發送電路如圖3所示。其中315 MHz和868 MHz發射頻率的電路參數按表1設置。
1．2 接收模塊硬件設計 TPMS系統的接收模塊主要由天線、射頻接收電路、主控芯片MCU以及鍵盤、顯示器組成，用于接收各發射模塊傳送的輪胎溫度與壓力數據，顯示各輪胎的ID識別碼和測量數據，并在異常情況發生時聲光報警。由于接收模塊安裝在汽車車廂內，故對器件選用的各方面要求不高，工業級即可。 RF接收芯片選用時要求接收靈敏度較高，這里選用Maxim公司的MAXl473芯片。MAXl473是一款完全集成的、低功耗、CMOS超外差接收器，具有一114～O dBm的輸入信號范圍、高于50 dB的鏡像載波抑制，用于接收300～450 MHz頻率范圍的幅度鍵控(ASK)數據信號非常理想。這款芯片在關斷模式下電流消耗低于2．5μA，接收模式下電流消耗為5．2 mA，可接收高達100 kbps的數據速率。使用MAXl473芯片實現的315 MHz的射頻接收電路如圖4所示。
Silicon Labs公司的C8051F4l0單片機是真正能獨立工作的片上系統。該芯片具有片內上電復位、VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，Flash存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新固件。片內Silicon Labs二線(C2)開發接口允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式(不占用片內資源)、全速的在系統調試。調試邏輯支持觀察和修改存儲器及寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行；并且2個C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統調試功能不占用封裝引腳。 使用C8051 F4lO 芯片的主控電路框圖如圖5所示。
2 軟件實現與仿真實驗 2．1 數據傳輸格式 為實現系統輪胎模塊和接收模塊之間可靠的無線通信，發射機和接收機之問必須以一定的協議進行通信。發射模塊中的MCU發送數據時以數據幀方式進行，通過數據幀的前導位喚醒接收模塊，其幀格式如下：
其中，前導位的作用是喚醒接收器和指示有實際的數據跟隨；輪胎ID用來識別和確定輪胎位置；壓力值和溫度值傳送實際的測量值；狀態位指示當前的系統狀態；校驗和用來驗證數據正確性；停止位指示數據幀的結束。 2．2 軟件設計 因為發送模塊的設計要考慮節電功能，所以模塊平時處于休眠狀態，當接收到加速度喚醒信號時進行測量并傳輸數據，其程序流程如圖6所示。接收模塊的程序流程如圖7所示。接收模塊上電后，首先配置MCU和RF接收芯片，然后開始接收數據。當收到數據后，MCU校驗輪胎1D，當確認輪胎ID有效后，MCU處理該數據并顯示數據。最后，MCU根據設置的閾值決定是否作出超壓、欠壓及漏氣等報警動作。
2．3 仿真實驗 由本文設計的TPMS系統在與實際工作情況相類似的情況下做了仿真實驗，其中實驗壓力變化范圍為100～250 kPa，輪胎溫度變化范圍為O～90℃。本文設計的TPMS系統測量數據與標準壓力計與溫度計的比較情況如表2所列。
由以上實驗可以看出，本TPMS系統測量得到的壓力和溫度值基本正確，誤差在允許范圍之內。 3 結 論 輪胎壓力和溫度的實時監測和報警系統是汽車安全系統必備的功能之一，其中直接式TPMS系統是當前主要的實現方式。本文針對GE公司的NPX I芯片進行了汽車直接式TPMS系統設計，其中發射模塊采用NPX I芯片及發射芯片PCH7900，接收模塊采用MAXl473接收芯片及C8051F410單片機實現。與其他TPMS系統方案比較，本設計所采用的 NPX I芯片集成了壓力傳感器、溫度傳感器及微處理器MCU，集成度高，性能穩定，可以實現傳感器數據與微處理器之間高效可靠的通信。接收端采用 C805lF410單片機作為主控芯片，該芯片功能強大、支持在線調試，并具有良好的性價比。 參考文獻 1. National Highway Traffic Safety Administration.US Department of Transportation An Evaluation of Existing Tire Pressure Monitoring Systems 2001 2. 顏重光 TPMS的設計方案思考 [期刊論文] -汽車電子世界2004(11) 3. Freescale公司 輪胎壓力監控系統(TMPS)應用參考指南 2006 4. GE公司 GE Infrastructure Sensing-TPMS Application Notes 2008 5. 秦拯.胡建國.劉志賢 汽車胎壓智能監測系統研究與實現 [期刊論文] -微計算機信息2008(24) 6. 黃智偉 單片無線收發集成電路原理與應用 2003 7. Burgess Jeff Motorola Tire Pressure Monitor System Demo 2008 作者：南京工程學院 王青云 陳瑞 來源：單片機與嵌入式系統應用 2008 (9) |
