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汽车轮胎压力检测系统技术与应用芯片
作者：中电网
日期：2008-01-31 09:09:27
摘要：当今世界已有不少国家高速公路安全协会立法强制实施，轮胎压力监测系统TPMS(Triepressuremonitoringsystem)，对于提高汽车安全性带有举足轻重的影响，而其低功耗、恶劣环境下长期运行的可靠性、较小的压力传感器误差容限以及更长的工作寿命等是TPMS的重点要求，因此其方案的设计和芯片选择也围绕这些要求进行。
当今世界已有不少国家高速公路安全协会立法强制实施，轮胎压力监测系统TPMS(Triepressuremonitoringsystem)，对于提高汽车安全性带有举足轻重的影响，而其低功耗、恶劣环境下长期运行的可靠性、较小的压力传感器误差容限以及更长的工作寿命等是TPMS的重点要求，因此其方案的设计和芯片选择也围绕这些要求进行。
目前TPMS主要有三种实现方式，即直接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。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微处理器进行分析，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，直包括从机任务，接TPMS可以连接至显示器。告诉司机哪个轮胎充气不足，并可检测到较小的气压降。为满足多轮胎压力检测要求，由于系统安装了直接气压传感器，则混合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。
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315／433／868／91．5MHz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调制技术来产节点发出的唤醒命令时．该生适当的发射频率。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。
本文以基于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的新型芯片作介绍。
一、 基于LIN总线分布式的实时轮胎压力监测系统设计方案
为实现长期(≥10年)便用寿命这一目标，必须使用低功耗集成化部件，且其电源成为首要的挑战(在有限的能源下能有较长的使用寿命)。这些都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。
用MCU、RF和传感器实现直接式TPMS系统，其基于LIN总线的TPMS方案示意图见图1。
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。
1．关于汽车应用的LIN总线技术
(1)LIN总线的主要特征。针对汽车应用的LIN1.0(本地互连网络)和LIN2.0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总线是一种基于通用SCI(UART)字节接口的单线串行通讯协议。图2(a)为UN总线API到物理层的结构框图。而LIN总线的主要特征为：一个主节的点、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)LIN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LIN网络中节点总数不宜超过16)。主机节点既包括主机任务也从机节点却只包括从机任务。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．基于LIN总线分布式的实时轮胎压力监测系统设计
图l描述了基于LIN总线的TPMS总体结构。其中，中央控制器的功能主要有三：即，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、显示以及声光报瞽。当LIN从节点接收到LIN主节点会向发送模块发出LF唤醒信号，让其进大工作状态。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)。
(1)轮胎内压力传感IC与发送IC合成的模块与芯片选择 1)模块选择：
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(250km／h)轮胎转动时的离心力；传感器能保持长期的稳定；IC体积小，重量轻；带有压力与温度和电压检测。
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。
2)芯片选择及特征
图3左虚线框内为轮胎内的压力传感器IC和发送IC。它们是freeseale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2kB用户FLashROM、定时器、集成的射频(Rn发送器、低压检测和RAM及内部时钟发生器。整个图3左虚线框为Mpxy8020A6A与MC68HC90RF2合成的遥测模块示意图。图3右侧MC33591为UHF接收器，它内含锁相环(PLL)超高频开关键控(OOK)接收器；MC912DP256接收端控制器内含256kBFlash、12kBRAM、4kB EEP ROM、up to 5CAN、1xJ1850、256MHz工作频率。
当然轮胎内的传感器IC也可以选择Melexis公司的MLx90603芯片。MLx90603最大的特点是有不同的工作模式Shelfmode，Sleepmode，Runmode，Idlemode和适合RFID、RF应用的TDMArragDirectMem．oryAccess)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公司有不同频率和调制的lC和汽车级IC(1作温度-40℃～125℃)，如315MHz、433MHz、868MHz和915MHz等ISMband频段：ICFSK、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)接收模块与芯片选择
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，该芯片专门为UN总线应用设计的MCU。
3．TPMS系统软件设计思路
在设计一个运行稳定、功效高的TPMS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，低频接口还具备没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。在此以MLX90603带有LF(LowFrequency)接口为例的发送模块软件设计方案作一说明。MLX90603带有LF(LowFrequeney)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.DirectMemoryAccess)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Sleepmode，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。
二、新型发送器(遥控钥匙)与接收器中几种芯片的选用
1．MAX1473接收器与MAX7044发送器的选用
RF接收器器件(MAX1473)是最新的300MHz至450MHzASK(振幅变换调制)射频接收器(平均灵敏度为-114dBm)，正常工作仅消耗5.5mA(典型值)的电流。内置镜频抑制，无需通常使用的前端SAW滤波器。睡眠模式时，MAX1473可在小于250ps的时间内启动并发送数据，以保证更深的睡眠周期和更长的电池寿命。MAXl473可工作于3V至5V的电源电压。
发送器中的MAX7044器件是可输出+3dBmASK信号的发送器，采用微型的8引脚SOT封装。采用占空比为50％的编码方式时(如曼彻斯特码)，仅需消耗7.7mA的电流。MAX7044可使用电压低至2.1V的单个锂电池供电。
2．双通道接收器同时捕捉两种信号的MAX1471结构框图与应用
使用MAX1471双通道接收器(见图5)同时捕捉两种信号，即能同时接收ASK和FSK(频率变换数据)，模式间切换时间为零。针对同时需要对ASK和FSK解码的低成本系统设计，MAX1471双模接收器还可进行自轮询，且器件可保持长达8分钟的睡眠模式，并可唤醒微处理器，以进一步节省能源。MAX1471内置一个可用于3.3V或5V的稳压器，故可工作在2.4V。
从图中看出MAX1471也可用在汽车轮胎压力监视系统中的接收器。
本文摘自《电子报》
目前TPMS主要有三种实现方式，即直接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。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微处理器进行分析，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，直包括从机任务，接TPMS可以连接至显示器。告诉司机哪个轮胎充气不足，并可检测到较小的气压降。为满足多轮胎压力检测要求，由于系统安装了直接气压传感器，则混合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。
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315／433／868／91．5MHz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调制技术来产节点发出的唤醒命令时．该生适当的发射频率。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。
本文以基于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的新型芯片作介绍。
一、 基于LIN总线分布式的实时轮胎压力监测系统设计方案
为实现长期(≥10年)便用寿命这一目标，必须使用低功耗集成化部件，且其电源成为首要的挑战(在有限的能源下能有较长的使用寿命)。这些都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。
用MCU、RF和传感器实现直接式TPMS系统，其基于LIN总线的TPMS方案示意图见图1。
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。
1．关于汽车应用的LIN总线技术
(1)LIN总线的主要特征。针对汽车应用的LIN1.0(本地互连网络)和LIN2.0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总线是一种基于通用SCI(UART)字节接口的单线串行通讯协议。图2(a)为UN总线API到物理层的结构框图。而LIN总线的主要特征为：一个主节的点、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)LIN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LIN网络中节点总数不宜超过16)。主机节点既包括主机任务也从机节点却只包括从机任务。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．基于LIN总线分布式的实时轮胎压力监测系统设计
图l描述了基于LIN总线的TPMS总体结构。其中，中央控制器的功能主要有三：即，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、显示以及声光报瞽。当LIN从节点接收到LIN主节点会向发送模块发出LF唤醒信号，让其进大工作状态。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)。
(1)轮胎内压力传感IC与发送IC合成的模块与芯片选择 1)模块选择：
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(250km／h)轮胎转动时的离心力；传感器能保持长期的稳定；IC体积小，重量轻；带有压力与温度和电压检测。
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。
2)芯片选择及特征
图3左虚线框内为轮胎内的压力传感器IC和发送IC。它们是freeseale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2kB用户FLashROM、定时器、集成的射频(Rn发送器、低压检测和RAM及内部时钟发生器。整个图3左虚线框为Mpxy8020A6A与MC68HC90RF2合成的遥测模块示意图。图3右侧MC33591为UHF接收器，它内含锁相环(PLL)超高频开关键控(OOK)接收器；MC912DP256接收端控制器内含256kBFlash、12kBRAM、4kB EEP ROM、up to 5CAN、1xJ1850、256MHz工作频率。
当然轮胎内的传感器IC也可以选择Melexis公司的MLx90603芯片。MLx90603最大的特点是有不同的工作模式Shelfmode，Sleepmode，Runmode，Idlemode和适合RFID、RF应用的TDMArragDirectMem．oryAccess)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公司有不同频率和调制的lC和汽车级IC(1作温度-40℃～125℃)，如315MHz、433MHz、868MHz和915MHz等ISMband频段：ICFSK、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)接收模块与芯片选择
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，该芯片专门为UN总线应用设计的MCU。
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二、新型发送器(遥控钥匙)与接收器中几种芯片的选用
1．MAX1473接收器与MAX7044发送器的选用
RF接收器器件(MAX1473)是最新的300MHz至450MHzASK(振幅变换调制)射频接收器(平均灵敏度为-114dBm)，正常工作仅消耗5.5mA(典型值)的电流。内置镜频抑制，无需通常使用的前端SAW滤波器。睡眠模式时，MAX1473可在小于250ps的时间内启动并发送数据，以保证更深的睡眠周期和更长的电池寿命。MAXl473可工作于3V至5V的电源电压。
发送器中的MAX7044器件是可输出+3dBmASK信号的发送器，采用微型的8引脚SOT封装。采用占空比为50％的编码方式时(如曼彻斯特码)，仅需消耗7.7mA的电流。MAX7044可使用电压低至2.1V的单个锂电池供电。
2．双通道接收器同时捕捉两种信号的MAX1471结构框图与应用
使用MAX1471双通道接收器(见图5)同时捕捉两种信号，即能同时接收ASK和FSK(频率变换数据)，模式间切换时间为零。针对同时需要对ASK和FSK解码的低成本系统设计，MAX1471双模接收器还可进行自轮询，且器件可保持长达8分钟的睡眠模式，并可唤醒微处理器，以进一步节省能源。MAX1471内置一个可用于3.3V或5V的稳压器，故可工作在2.4V。
从图中看出MAX1471也可用在汽车轮胎压力监视系统中的接收器。
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