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TPMS方案设计及芯片选择
[导读]1、前言轮胎压力监测系统(TPMS -Tire pressure monitoring system)对于提高汽车安全性有举足轻重的影响，当今世界己有不少国家高速公路安全协会因此立法强制实施TPMS。而低功耗、在恶劣环境下高度运行的 可靠性、较小
轮胎压力监测系统(TPMS -Tire pressure monitoring system)对于提高汽车安全性有举足轻重的影响，当今世界己有不少国家高速公路安全协会因此立法强制实施TPMS。而低功耗、在恶劣环境下高度运行的 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的主要要求，于是方案的设计和芯片的选择也围绕这个要求进行。
1.1目前TPMS主要有三种实现方式
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，采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因 子。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接收器进行分析，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，直接TPMS可以连接至显示器，告诉司机哪个轮胎充气不足。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到 7kPa--1.0psi的压降。为满足多轮压力检测要求，由于系统安装了直接气压传感器，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。
1.2下一代新型系统，就是将集成车轮模块所需的感应功能和发射功能。
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315/433/868/915MHz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调制技术来产生适当的发射频率。该 ASK系统虽然非常廉价，但却容易受到由于车轮(发送器安装在其上)旋转所导致的接收场强变化的影响。出于这一原因，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。
值此本文将以基于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新型芯片作介绍。
2、基于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的设计方案
为 实现长期(&10年)使用寿命这一目标，必须使用低功耗集成化部件。电源管理因此成为首要的挑战。也就是说TPMS面临的主要问题是在有限的能源下能有较 长的使用寿命。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。
由于将研讨LIN总线应用于TPMS，并用MCU、RF和传感器实现TPMS见图1直接式基于LIN总线的 TPMS方案示意图。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四类部件组成的。为此有必要先对汽车应用的LIN总线 有关技术作介绍。
2.1关于汽车应用的LIN总线技术
2.11LIN总线LIN总线的主要特征为API到物理层的结构
针 对汽车应用的LIN 1.0(本地互连网络)和LIN 2.0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足一种基于通用SCI(UART)字节接口的 单线串行通讯为协议。图2(a)框图所示为LIN总线API到物理层的结构。而LIN总线的主要特征为：&个主节点、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 20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。
2.12LIN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L1N网络中节点总数不宜超过16。) 主机节点既包括主机任务也包括从机任务，从机节点都只包括从机任务，如图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。
2.2 于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的系统设计
图1描述了基于L1N总线的TPMS总体结 构，其中中央控制器的功能主要有三：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、显示已及声光报警。当LIN从节点接收到LIN 主节点发出的唤醒命令时，该节点会向发送模块发出LF唤醒信号，让其进入工作状态。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)。
2.21轮胎内压力传感IC与发送IC合成的模块与芯片选择
*轮胎内的压力传感IC与发送IC合成的模块
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kmh轮胎转动时的离心力;传感器能保持长期的稳定;IC体积少，重量轻;带有压力与温度和电压检测。图 3左虚线框是基于轮胎内的压力传感IC与发送IC合成的模块示意结构图。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。
*压力传感IC与发送IC合成的模块芯片选择及特征
图3左虚线框为轮胎内的压力传感器IC和发送IC为freescale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2K用户FLash ROM，定时器，集成的射频(RF)发送器，低电压检测和RAM及内部时钟发生器。则整个图3左虚线框为Mpxy8020A6A与MC68HC90RF2 合成的遥测模块示意图。其图3右侧MC33591为UHF接收器内含锁相环(PLL)超高频开关键控(00K)接收器;MC912DP256 接收端控制器内含256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作须频率。
当 然轮胎内的传感器IC也可以选择Melexis公司的MLX90603芯片。MLX90603它内部有16bit RISCMCU，8K byte Flash，256 byte RAM和128 byte EEPROM。MLX90603还有125KHz或13.56MHz LFinterface和压力传感器的补偿接口(sensor interface)在IC内。最大的特点是它有不同的工作模式Shelf mode，Sleep mode，Runmode，Idlemode和适合RFID、RF应用的TDMA(Tag Direct Memory Access)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有不同频率和调制的IC和汽车 级IC(工作温度-40℃-125℃)，如315MHz，433MHz，868MHz和915MHz等ISM band频段，IC FSK，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。
2.22接收模块与芯片选择
其 图3右侧MC33591为UHF接收器内含锁相环(PLL)超高频开关键控(00K)接收器;MC912DP256接收端控制器内含 256KFLash，12KRAM，4KEEPROM，up to 5CAN，1xJl850，256MHz工作须频率。当然对于接收模块处于LIN网络的主节点即中央控制器，见图1所示。也可选择MLX82001 ， 该芯片是一个6位的、集成了LIN2.0并带有增强型UART的MCU;从节点可选择MLX81100集成了双任务CPU和LIN收发器，是专门为LIN 总线应用设计的MCU。
2.3 TPMS系统软件设计考虑
在设计一个运行稳定、功效高的系统时，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，低频接口还具备设计灵活性和其 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。值此以MLX90603带有LF(Low Frequency)接口为例的发送模块软件设计方案作一说明。MLX90603带有LF(Low Frequency)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 Direct Memory Access)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Sleep mode，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。由于发射端工作在恶劣环境下，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。
3、新型送器(遥控钥匙)与接收器中几种芯片的选用
3.1 MAX1473接收器与MAX7044发送器的选用
而 RF接收器器件 MAX1473是最新的300MHz至450MHzASK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，MAXl473可在小于250ps的时间内启动并发送数据，保证了更深的睡眠周期和更长的电池寿命 MAX1473可工作于3V至5V的电源电压。
而发送器中的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。
而 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，保证了更深的睡眠周期和更 长的电池寿命MAX1473可工作于3V至5V的电源电压。该300MHz至450MHz发送器和接收器的最大优点是能将你的RKE系统有效距离扩大一倍 理想应用子电池供电设备，包括钥匙，汽车报警和胎压检测。
该300MHz至450MHz发送器和接收器的最大优点是能将你的RKE系统有效距离扩大一倍(即控制范围超过两倍)是理想应用于电池供电设备，胎压检测的选择也包括钥匙，汽车报警。
3.2双通道接收器同时捕捉两种信号的MAX1471结构方框与应用
使用MA1471双通道接收器同时捕捉两种信号，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，MAXl471双模接收器还可进行自轮询，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工作于300MHz至450MHz，包括内置的42dB(兆型值)镜频抑制混频器，不需常见的SAW滤波器。MAXl471内置一个可用于 3.3V或5V的稳压器，可在低至2.4V的电压下工作。图5为MAX1471结构方框与应用示意图，从图中表看出MAX1471也可用于汽车轮胎压力监 视系统中接收器。
上述新型系信统与芯片的分析介绍，采用分布式结构的TPMS，其特点是，控制灵活，比较适合应用于前装市场。而将LIN总线应用于TPMS的优势是为每个轮胎跟接收器比较接近，因此会大大节省每个发射器的功率，延长系统的使用寿命。
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我 要 评 论
热门关键词TPMS专用传感器模块技术剖析--《第二届长三角地区传感技术学术交流会论文集》2006年
TPMS专用传感器模块技术剖析
【摘要】：从技术角度剖析TPMS专用传感器的内部结构,分析MEMS压力和加速度传感器的架构和工作原理。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TP212.1【正文快照】：
TPMS是汽车轮胎压力监视系统“Tire PressureMonitorlng System”的英文缩写，主要用于在 汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车 者、乘车人的生命安全保障预警系统。 在欧美等发达国家山于TPMS已是汽车的标配产品，
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TPMS设计方案的思考
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要：本文介绍了tpms的总体设计方案和主要部件的功能，并就器件的选择及设计细节给出了若干建议。关键词：tpms；压力/温度传感器模块；ask/fsk；rf tx/rx引言汽车轮胎压力监测系统(tpms)主要用于汽车行驶时对轮胎气压进行实时的自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全。目前，tpms 主要分为两种类型，一种是wsb tpms(又称间接式 tpms )，这种系统是通过汽车 abs 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。该类型的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。另一种是psb tpms(又称直接式 tpms)，这种系统是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，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。psb tpms 从功能和性能上均优于wsb tpms。许多欧洲的汽车厂商已将 psb tpms 配装于自己的车型之中，国内多数汽车厂家目前还没有进行这方面的研究，但随着国际化的要求，和国产汽车的出口，tpms将会引起国内厂商的关注。图1
tpms系统方案tpms系统本文所讲的tpms系统是指目前流行的psb tpms，它主要由安装在汽车轮胎内的压力、温度传感器和信号处理单元、rf发射器组成的tpms发射模块，和安装在汽车驾驶台上的包括数字信号处理单元的rf接收器以及lcd组成。一辆轿车需要4个tpms发射模块(备胎还需要1个)和1个tpms接收器。一辆卡车需要6~12个tpms发射模块，为了提高系统的接收能力和抗干扰能力，系统安装时需要在汽车底盘安装接收天线。由sp12传感器、atar862、t5743、avrmcu等主要芯片组成的tpms系统方案结构框图如图1所示。tpms传感器tpms传感器是一个集成了半导体压力传感器、温度传感器、数字信号处理单元和电源管理器的soc模块。为了强化胎压检测功能，有不少tpms传感器模块内还增加了加速度传感器、电压检测、内部时钟、看门狗，和带12 bit adc、4kb flash、2kb rom、128 b ram、128 b eeprom及其它功能的asic数字信号处理单元。这些功能单元使得tpms传感器不仅能实时检测汽车开动中的轮胎压力和胎内温度的变化，而且还能实现汽车移动即时开机、自动唤醒、省电等功能。电源管理器确保了系统的低功耗，通常一节锂电池可以使用3~5年。tpms的压力传感器都是用基于mems技术来设计、生产的，主要有硅集成电容式压力传感器(如freescale的mpxy8020、mpxy8040)和硅压阻式压力传感器(如ge novasensor的npx1、npxc01746，infineon sensonor的sp12、sp12t、sp30)。硅压阻式压力传感器也是一个soc模块，一般采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力/电变换测量电路，其内部典型架构包括整合了采用硅显微机械加工的压力传感器、温度传感器、加速度计、电池电压检测、内部时钟和一个包含adc、取样/保持、spi口、校准、数据管理以及id码的数字信号处理单元，模块可以利用客户专用软件进行配置，其测量精度能达0.01~0.03%fs。此外，为了便于tpms接收器的识别，每个压力传感器都具有6~8位独特的id码。压力/温度信号处理与发射压力/温度信号经tpms传感器模块内的asic/soc电路的处理，通过其spi口传输给安装在发射模块内的信号处理单元，综合成数据流后再进入同一封装内的rf发射ic，然后通过设定的超高频率(uhf)进行调制并发射给安装在驾驶台内的接收器。为了缩小汽车轮胎内进行测量和信号处理的ic所占面积与发射模块的体积，压力/温度信号处理与发射也采用整合的soc，如atmel的atar862、freescale的mh68c908rf2，它们都是将一片mcu、一片uhf rf发送器整合在同一封装内的器件。其中，mcu一般为4bit或8bit cpu核，包括时钟管理、eeprom、ram、多个计时器、多个i/o口以及内部晶振等。uhf rf发送器以atar862为例，其内部嵌入的是t5754 uhf ask/fsk rf发送器，t5754由pll、压控振荡器(vco)、功率放大器(pa)等组成，外部晶振源经xto(串口谐振器)供给vco，pll向mcu提供时钟，mcu将已编码的数据流经pa调制在uhf指定频率，交由天线发射，天线采用印制在pcb板上的环状天线，发射功率要求pa在9.5ma 时能输出7~10dbm。北美rf的发射频率标准为315mhz；欧洲为433.92 mhz；韩国为448 mhz；目前已有建议发射频率为868mhz的新标准。tpms发射模块的安装由于现在的汽车大多已取消了内胎，因此给tpms发射模块安装带来了极大的方便，目前tpms发射模块在汽车轮胎内的安装有两种方式：利用气门咀安装或者利用紧箍扣安装在轮毂上。无论采用哪种方式，安装完tpms发射模块后都必须对轮胎重新做动平衡检验。tpms接收器和显示器tpms接收器由uhf ask/fsk rf接收ic和mcu、键盘以及lcd显示器组成。rf接收ic和mcu在一个盒子里，可安装在汽车仪表箱内；带控制键盘的lcd显示器可安装在驾驶台上。lcd显示器能实时显示每个轮胎
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