PIC16F639的可低频唤醒的TPMS发射系统设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 PIC16F639的可低频唤醒的TPMS发射系统设计 在内置模拟前端的单片机 的根底上设计出一种的 发射机，它通过低频信号获取操作指令信息，再通过高频信号将测量数据发射出去。实现了TPMS发射机与驾驶员的双向通信，提出了具体的硬件与软件设计方案。 TPMS（Tire Pressure Monitoring System）是胎压检测系统的英文缩写形式。这种系统的原理是通过安装在轮胎内的传感器检测轮胎压力、温度等参数，并通过无线方式实时准确地将测量值传送给接收装置，驾驶员通过液晶显示器了解车辆的轮胎状况，可有效降低因爆胎引发交通事故的几率。 传统的胎压检测系统一般采

2、用定时唤醒或加速度唤醒的方式延长胎内发射装置的使用寿命，驾驶员对胎内压力检测系统的启动、暂停、检测方式无法开展控制。同时，在传统胎压检测系统中，将轮胎的定位信息写入轮胎内 的ID中，如果更换轮胎则需要对定位信息重新设置，否则系统无法正确反映轮胎位置。采用可低频唤醒的TPMS，驾驶员可对检测系统的工作状态开展控制，通过设定轮胎的检测顺序，就可以解决轮胎的定位问题。 1 发射系统原理与解决方案 从图1可知，发射系统主要由胎内传感器、信号处理模块、高频发射模块和LF接收模块组成。其基本工作原理是：系统接收到低频唤醒信号后，根据信号调理与译码所得指令调整系统的工作状态，胎内传感器将检测量传输给MCU，

3、再通过发射模块以433.9MHz载频发送出去。 1.1 传感器 本系统选用Freescale公司的MPXY8020A型硅压阻式压力传感器，其内部包括压力、温度传感器，具有电源管理和数据输出功能。可通过S0、S1引脚控制其工作模式，每隔3s通过OUT引脚发出370?滋s宽度的唤醒脉冲，约每52min通过/RST引脚发出一个复位脉冲。 1.2 信号处理与低频接收模块 MicroChip公司的PIC16F639是一款带有三通道模拟前端（AFE）的MCU，其模拟前端特性由MCU固件控制。由于使用方便，该器件可用于多种智能低频检测和双向通讯应用中。因其具有工作电压范围宽、待机电流小、工作电流低等特点，十

4、分适合应用于胎压检测。其集成的三通道模拟前端可检测低至1mV(峰-峰值)的125kHz输入信号，具有三个天线连接引脚。通过连接指向X、Y和Z方向的三个天线，应答器可随时接收来自任意方向的信号，从而降低因天线的方向性而造成信号丢失的可能性。各天线引脚的输入信号的检测是相互独立的，并随后相加。通过对配置存放器开展编程，每个输入通道可以被单独使能或禁止。被使能的通道越少，器件的功耗就越小。 1.3 高频发射模块 发射模块采用Maxim公司的MAX1479，可发射300MHz450MHz的ASK和FSK数据，在FSK模式下采用Manchester码可到达20kbps的数据速率。该芯片具有低电源电流（A

5、SK模式下为6.7mA，FSK模式下为10.5mA)，仅200?滋s的启动时间等优点，非常适合应用于低功耗设计。 2 TPMS发射系统硬件设计 TPMS发射系统硬件主要由发射芯片MAX1479、单片机PIC16F639和传感器MPXY8020A构成，如图2所示。模块发射频率为MAX1479外接晶振频率的32倍频，即需外接13.56MHz振荡器。MODE引脚接高电平，为FSK调制模式。CLK0和CLK1引脚可以设置CLKOUT频率输出引脚的输出频率。DEV0、DEV1、DEV2引脚可为FSK调制模式设置频率偏移，当DIN引脚为高电平时，PAOUT输出高频信号至天线。PIC16F639内置了三通道

6、模拟前端，由于低频发射基站与接收模块位置相对固定，只需安装一个低频接收天线即可。接收天线为铁氧体磁芯线圈，电感量为7.1mH，并联220pF电容后，可在125kHz处谐振，并联谐振阻抗，当发射线圈与接收线圈相互平行，即可限度地拾取有用信号。每个通道内还具有一个调节电容，可用来调节外部天线。此电容可通过存放器配置电容大小，63pF，可1pF步进调整。LCCOM引脚为三通道的公共地。单片机使用内部已校准的8MHz振荡器，可通过存放器中IRCF位配置分频系数，分频后可得到低至31kHz的时钟频率。传感器与单片机采用SPI串口方式连接，可以通过配置S1、S0引脚使传感器工作于待机、测量压力、测量温度和

7、读数据这四个状态。OUT引脚连接至RA1引脚，并每隔三秒发出唤醒脉冲，PORTA口电平变化引发中断，将单片机从休眠模式唤醒。 3 发射系统软件设计 3.1 RF传输协议 RF信号的传输采用曼彻斯特编码，即一个数字信号值在每一个比特位周期内作高、低电平之间的切换，前半周期高电平后半周期低电平表示数字1，而先低后高表示数字0。MAX1479的 FSK模式数据传输率为20kbps，在本系统中采用9.6kbps的数据率。RF数据帧格式如下表1所示。 (1)前导位：由连续的31个数字1接一个数字0组成，前导位可以使接收器识别出有效的RF信号，并可使接收器与发射信号频率同步，因此可补偿发射机振荡频率的误差

8、。前导位的位数可以不固定，位数长的前导位有利于提高接收器的灵敏度，而位数短的前导位有利于节省发送端功耗。 (2)发射机ID：每个发射机都有惟一的ID号码，32位的长度可极大地防止出现两个相同ID的情况。 (3)压力值：压力值采用8位无符号数表示，每一位代表2.5kPa。 (4)温度值：温度值采用8位无符号数表示，可测温度为零下40度，每一位代表0.8度。 (5)状态位：包括电池低压检测数据、传感器的工作模式信息。 (6)校验和位：校验和长度为8位。其产生的方法是，发送时，对所有数据求异或结果再取反作为校验和；接收时，对所有数据连同校验和求异或求反，结果为0表示正确，否则错误，丢弃数据包。 3.

9、2 LF传输协议与软件流程 LF信号的传输也采用曼彻斯特编码。由于 PIC16F639 模拟前端输入调制频率为4kHz,所以选择1kHz作为LF输入信号的数据频率。LF数据帧格式如下表2所示。 (1)AGC稳定时间：这是一个持续的高电平脉冲，可将AFE从休眠模式唤醒，AGC模块可以自动调整过强的输入信号电压，使之到达后续电路可承受的水平，AGC稳定时间后，AGC稳定于输入信号电平。如果AGC稳定时间不符合要求，AFE将被软复位。 (2)唤醒滤波器脉冲：唤醒滤波器用来使能LFDATA输出并唤醒单片机，但前提条件是在LC输入引脚接收到特定的脉冲序列。这样可以防止由于噪声或不想要的输入信号等原因而致

10、使AFE唤醒单片机。唤醒滤波器脉冲的高持续时间和低持续时间分别由OEH、OHL位决定，通过SPI口编程。 (3)命令位：8位数据中的第1位将引起PORTA电平变化中断使单片机从休眠模式唤醒，剩余的7位数据作为命令代码。单片机通过定时采集RA4引脚电平，获得相应数据，并通过与单片机预定义值开展匹配，产生相应动作状态。 (4)校验位：采用奇校验方式，即当数据中1的个数为奇数时，则校验位为0；否则校验位为1。 (5)结束位：用两个连续的数字0表示结束位，结束位采用NRZ编码格式。 图3是PIC16F639检测低频信号流程图。当单片机上电后，可以通过SPI口对AFE的8个存放器开展设置。打开PORTA

11、电平变化中断后进入休眠模式。当LC输入引脚检测到输入信号，输入的AGC稳定时间电平超过20mV时将置位AFE状态存放器AGCACT位。如果输入信号不到20mV，则不会激活AGC。由于只使用一个模拟通道，因此当检测到输入信号时，只置位WAKEY位。若AFE被唤醒后，超过16ms没有信号输入，则软复位将使AFE重新回到休眠状态。如果未使能唤醒滤波器，则后续接收到的信号将被AFE认为是有用信号，并直接从LFDATA引脚以数字量输出。否则，后续信号必须满足唤醒滤波器的时序脉冲要求。如果不满足，且超过32ms没有正确信号输入将置/ALERT引脚低，并返回到休眠状态。如果满足，则通过LFDATA引脚唤醒单

12、片机并输出数据。单片机根据译码数据被重新配置。 3.3 发射模块基本程序流程 当系统上电复位后，PIC16F639首先执行初始化命令，随后进入休眠等待状态，如图4(a)所示。当检测到传感器唤醒脉冲或LF的输入信号时，系统退出休眠状态。检测到传感器唤醒脉冲后，若满足数据检测条件，则单片机通过配置传感器S1、S0模式选择引脚 ，控制传感器检测压力及温度，并将读取的数据通过SPI口传至PIC单片机，判定是否满足配置发射条件，系统默认的发送条件是30秒发送，但也可以通过低频唤醒指令自行设置发射信号的时间间隔。当测量的压力与温度变化量超过阈值时，系统则会自动修改发送条件至快速发射模式，即将发射数据时间间隔缩短到800ms，使驾驶者可以实时掌握轮胎状态，及时采取防范措施。当发射完成后，系统再次进入休眠状态，以上