基于ZigBee技术的新型TPMS设计

1、    基于ZigBee技术的新型TPMS设计基于ZigBee技术的新型TPMS设计汽车轮胎压力监视系统(TPMS)是一种能对汽车轮胎气压进行自动检测，并对胎压异常情况进行报警的预警系统。本文结合ZigBee技术的低成本、低功耗、设备地址唯一等优点，将轮胎内部安装的压力、温度传感器组成一个微型ZigBee网络。监测网络总体设计ZigBee技术是新兴的一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的无线通信技术。它基于IEEE802.15.4协议标准，主要工作在免授权的2.4GHz频段，数据速率为2025基于ZigBee技术的新型TPMS设计汽车轮胎压力监视系统(

2、TPMS)是一种能对汽车轮胎气压进行自动检测，并对胎压异常情况进行报警的预警系统。本文结合ZigBee技术的低成本、低功耗、设备地址唯一等优点，将轮胎内部安装的压力、温度传感器组成一个微型ZigBee网络。监测网络总体设计ZigBee技术是新兴的一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的无线通信技术。它基于IEEE 802.15.4协议标准，主要工作在免授权的2.4GHz频段，数据速率为20250Kb/s，最大传输范围在1075m。ZigBee网络中定义了两种物理设备类型:全功能设备 (FFD)和精简功能设备 (RFD)。其中，FFD支持任何拓扑结构，可以充当网络协调器，能和任何设备通信；RFD

3、不能完成网络协调器功能，且只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信，但它的内部电路比FFD少，因此实现相对简单，也更利于节能。直接式TPMS系统利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，通过无线或者有线的方式将数据传到安装在驾驶台的监视器上，监视器实时显示各个轮胎的状况，一旦出现异常，系统就会自动报警以提醒司机进行及时处理。本监测网络就是一种直接式TPMS系统。ZigBee监测网络原理框图如图1所示，该监测网络包括四个轮胎监测器和一个车载监视器。工作原理：四个轮胎监测器是RFD网络节点，安装在轮毂上，能实时检测轮胎内的温度和压力值并发送到车载监视器显示；驾驶员也可以通过车载监视器

4、主动访问各个轮胎的气压状态。车载监视器是FFD设备，充当网络协调器，通过无线方式接受各轮胎的压力、温度和监测器状态，并通过显示设备进行实时显示或声光报警。由一个FFD网络协调器和四个RFD终端节点共同组成一个星型拓扑结构的微型ZigBee胎压监测网络，射频方式符合IEEE 802.15.4协议标准。图1 监测网络原理框图监测网络硬件方案设计该监测网络中包括两种硬件模块：轮胎监测器和车载监视器。基于ZigBee技术的原理和特点，本文以Chipcon公司的系统级芯片CC2430为核心，设计了轮胎监测器和车载监视器的硬件电路，如图2所示。a) 轮胎监测器b) 车载监视器图2 硬件模块框图1 射频处理

5、芯片选型射频处理单元是无线轮胎监测器模块的核心部分。由于轮胎监测器安装在轮毂上，采用能量有限的锂电池供电，因此射频处理芯片需具有以下特点：功耗低、体积小、支持IEEE 802.15.4标准。根据以上特点，并经过分析比较，最终选用了CC2430这款系统级芯片。CC2430是Chipcon公司生产的2.4GHz射频芯片，符合IEEE 802.15.4标准，传输速率最高250Kb/s，采用具有内嵌闪存的0.18m CMOS标准技术，休眠模式功耗仅0.9A，集8051内核与无线收发模块于一体，简化了电路的设计，且尺寸只有7mm×7mm。2 压力温度传感器选型汽车轮胎特殊的工作环境，决定了胎压

6、监测传感器的高要求，即低功耗、宽温区、宽电源电压范围内较高的精度和可靠性。本设计选用了Infineon公司的硅压阻式压力传感器SP12，其工作电压1.83.6V，具有压力范围100450kPa、温度范围-40125的测量能力。3 车载监视器设计如图2所示，车载监视器同样以CC2430为核心，负责射频数据的收发、显示和报警。显示屏为定制的LCD字符型段码屏，通过I/O口模拟I2C与单片机通信，屏上有左前轮、左后轮、右前轮、右后轮以及温度超限、气压低、气压高等可视化图标，再配合蜂鸣器和发光二极管，非常方便驾驶员对轮胎运行状态的掌控。三向键作为一个人机交互的窗口，可通过手动操作查看特定轮胎的运行状态

7、，或设置温度、气压报警门限值。因为车载监视器采用汽车电源供电，因而低功耗设计上的考虑可相对少一些。4 电路抗干扰措施由于是高频电路，克服器件的相互干扰尤为重要，为保证系统长期稳定、可靠的运行，建议在电路设计中采取以下措施。 采用四层PCB，顶层主要走信号线，顶层下面依次是是地平面层、电源平面层和底层，为防止高频信号的辐射和串扰，应尽量缩小信号回路面积，同时采用多点接地，降低接地阻抗。 CC2430芯片底部必须采用少量过孔与地相连，保证芯片体可靠接地。 去耦电容必须尽可能靠近3V和1.8V电源引脚，并且电容接地端通过过孔就近接地，去耦电容的充放电作用使集成芯片得到的供电电压比较平稳，减少了电压振荡现象。 芯片外围器件的尺寸应尽可能的小，建议使用0402规格的阻容器件。 将CC2430和SP12未用的信号输入引脚通过一个10k电阻上拉到高电平或下拉到低电平，因为开路的输入端有很高的输入阻抗，很容易受外界的电磁干扰使悬浮电平有时处于“1”，有时处于“1”到“0”的过渡状态，易引起逻辑电路的误导通。监测网络软件方案设计对于胎压监测网络的软件设计，有以下三个关键技术需要解决。1 如何识别轮胎为降低数据帧的长度，降低功耗，本设计没有采用IEEE 802.15.4规定的标准帧格