智能传感器的TPMS系统设计

Word文档智能传感器的TPMS系统设计

目前供应TPMS配套方案的半导体厂商许多，芯片厂商主要包括飞思卡尔(Freescale)、英飞凌(SensoNor)、GE(NovaSensor)、Atmel、Maxim、东芝、NXP、Omron、MelxiS、RFMonilithi等公司。其中GE、飞思卡尔和英飞凌公司具有从胎压传感器、RF放射及接收器，到MCU的完整产品线，其他半导体公司主要供应从胎压传感器、RF、到MCU的若干配套方案。

从20世纪90年月开头，GE公司通用NovaSensor就供应压力传感器及TPMS系统方案。2021年其NPX系列压力传感器开头供货，NPXI芯片整合了压力、温度传感器及8位RISCMCU，NPXII与NPXI相比较又整合了惯性感应器；2021年推出的NPXIII除具有以上功能外，更把RF放射电路整合一体，成为单芯片方案。NPX系列芯片由于性能优越、工作稳定，被世界一流汽车配套厂商广泛采纳。本文介绍基于GE公司NPXI芯片的TPMS系统设计方案及实现方法。

1直接式TPMS设计

直接式TPMS系统框图如图1所示。一般来说，TPMS系统需要4个放射模块和1个接收模块。4个放射模块都需要与接收模块进行数据传输，因此如何使它们之间的通信工作协调、有序地进行，成为设计中需要留意的问题。

对于GE公司供应的方案，温度和压力传感器、A／D转换器及8位的MCU都整合进NPX系列芯片之中，使得数据采集与传输中的通信设计大大简化。对于NPXI和NPXII芯片，只需要协作合适的射频发送电路，就可以实现发送模块的全部功能。如图l(b)所示，TPMS系统的接收模块包括解调电路、接收处理、显示及掌握接口4部分。解调电路将接收的射频信号放大解调后，将数字信号送给微处理器串行接口；微处理器再进行译码，从数据流中提取各轮胎的位置、温度和压力值，然后做出相应的处理，如更新显示、声光报警等。

1．1接收模块硬件设计

TPMS系统的接收模块主要由天线、射频接收电路、主控芯片MCU以及键盘、显示器组成，用于接收各放射模块传送的轮胎温度与压力数据，显示各轮胎的ID识别码和测量数据，并在特别状况发生时声光报警。由于接收模块安装在汽车车厢内，故对器件选用的各方面要求不高，工业级即可。

RF接收芯片选用时要求接收灵敏度较高，这里选用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～OdBm的输入信号范围、高于50dB的镜像载波抑制，用于接收300～450MHz频率范围的幅度键控(ASK)数据信号特别抱负。这款芯片在关断模式下电流消耗低于2．5μA，接收模式下电流消耗为5．2mA，可接收高达100kbps的数据速率。使用MAXl473芯片实现的315MHz的射频接收电路如图4所示。

SiliconLabs公司的C8051F4l0单片机是真正能单独工作的片上系统。该芯片具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器，Flash存储器还具有在系统重新编程力量，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新固件。片内SiliconLabs二线(C2)开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速的在系统调试。调试规律支持观看和修改存储器及寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，全部的模拟和数字外设都可全功能运行；并且2个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。

1．2发送模块硬件设计

GE公司始终致力于TPMS传感器产品的开发，其产品NPXI芯片集成了压力传感器、温度传感器及1个8位RISC微处理器。NPXI芯片具有4KB的用户可编程空间、4KB的定制ROM，以及一个2D的LF输入级。各类传感器的信号经12位ADC转换后，供应给用户和系统进行进一步的处理。在4KB的定制ROM中，固化了GE公司特有的压力、温度和电压测量、补偿和校准程序，以及其他有用的子程序，用户可省去繁复的运算编程，只需简洁调用即可获得需要的状态值。在开发阶段，GE公司可以供应可编程版本的传感器，用户可以通过仿真器编程器将程序下载到器件的4KB用户可编程空间中。下载程序之后的传感器可以直接运行使用，或者通过仿真器进行实时仿真单步调试。调试环境与一般的单片机特别相像。客户大批量生产版本的传感器可以通过掩膜ROM工艺生产，以进一步降低成本。

2软件实现与仿真试验

2．1数据传输格式

为实现系统轮胎模块和接收模块之间牢靠的无线通信，放射机和接收机之问必需以肯定的协议进行通信。放射模块中的MCU发送数据时以数据帧方式进行，通过数据帧的前导位唤醒接收模块，其帧格式如下：

其中，前导位的作用是唤醒接收器和指示有实际的数据跟随；轮胎ID用来识别和确定轮胎位置；压力值和温度值传送实际的测量值；状态位指示当前的系统状态；校验和用来验证数据正确性；停止位指示数据帧的结束。

2．2软件设计

由于发送模块的设计要考虑节电功能，所以模块平常处于休眠状态，当接收到加速度唤醒信号时进行测量并传输数据，其程序流程如图6所示。接收模块的程序流程如图7