基于无线双向通信方式和TPMS模块实现胎压监测系统的应用方案

美国汽车工程师协会的调查统计表明，美国每年有26万起交通事故是由于汽车轮胎气压低或渗漏造成的，美国运输部国家公路交通安全管理委员会（NHTSA）制定的法规中规定：2003年11月到2006年10月31日期间，美国新出厂的轻型汽车将逐步引入胎压监测系统（Tire Pressure Monitoring System，TPMS）。可见，TPMS的研究和投产势在必行。
 
胎压的常用测试方法

目前，胎压监测系统主要分为两种类型：一种是Wheel-Speed Based TPMS（WSB TPMS，简称间接式TPMS），另一种是Pressure-Sensor Based TPMS（PSB TPMS，简称直接式TPMS）
 
1 WSB TPMS

间接式气压监测的工作原理是：当某轮胎的气压降低时，该轮的滚动半径将变小，导致其转速比其他车轮快。通过比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。间接式轮胎报警系统实际上是依靠计算轮胎滚动半径来对气压进行监测。

a）数据采集发送模块
 

b）数据接收、控制模块
图1 系统结构图

2 PSB TPMS

直接 式气压检测装置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监视及显示，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。本系统采用直接式气压检测方式。
 
依据上述工作原理，本系统包括5个模块：4个用于轮胎内的监视模块和一个用于车内的接收模块。监视模块又包括传感器和发射模块。
 
TPMS的硬件电路设计

1 系统整体设计

TPMS采用了无线双向通信方式对汽车轮胎的压力和温度进行实时监测。系统的结构框图如图1所示。TPMS模块通常在一节锂电池下工作，工作时间为5～10年，因此节能是一个十分重要的课题，系统要求所选用的传感器等芯片必须是低功耗的。
 
轮胎监测模块嵌入到轮胎内部，主要用来监测轮胎内部的气压和温度状况，并通过无线调制方式发送到主机显示模块，故轮胎监测模块主要包含传感器、微控制器、UHF发射器以及供电电池。
 
2 测压、测温传感器的选取

根据上述要求，选用GE公司的NPXⅡ（NPX-C01780）传感器。NPXⅡ集成了硅压力传感器、加速度传感器、温度传感器、电压传感器和低功耗8位RISC处理器以及一个低频唤醒输入级，满足了系统各方面的性能要求。
 
此外，NPXⅡ的电源管理能够使功耗最小化，待机静态电流极低;并利用加速度传感器灵活改进控制和测量流程，进一步节省能耗。NPXⅡ还具有极佳的轮胎介质兼容性，可监测450/700/900/1400kPa多种压力范围，并可定制量程。
 
3 TPMS发射接口电路设计

发射接口电路如图2所示。无线电发送模块MC33493可进行OOK或FSK两种调制，工作在300～450MHz频段，采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，具有较小的发射功率，最大发射功率达 0.18mW。其数据速率可达9.6Kb/s，工作电压为1.9～3.6V，功耗低，发射时电流为11.6mA，待机状态电流仅为0.8μA（工作温度在125℃）。

图2 发射接口电路

4 TPMS接收接口电路设计

接收接口电路如图3所示，MC33594是高温集成UHF超高频无线电接收模块。该芯片的工作频率为300～450MHz，电压在4.5～5.5V范围内;接收灵敏度高达-103dBm。其最大的特点是带有一串行外设接口（SPI）。通过SPI，它允许微控制器与各种外围接口器件以串行方式进行通信。SPI接口使用四条线：串行时钟线（SCK），主机输入/从机输出数据线MISO，主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线RESET。

图3 监测系统接收接口电路

TPMS软件流程

图4给出了接收模块的接收程序流程图，接通电源后，接收机先后进行初始化和配置。一旦确认接收机配置完成，所有的LED就闪烁一次告知使用者模块准备就绪。在收到一个数据帧后，就要重新计算校验并与己经接收到的数据帧进行比较。数据帧经过确认后，某个轮胎和ID则要与存储在KX8存储器中的4个ID值比较。如果发现一个相配的ID，则数据就被处理并点亮相应的LED。最后，数据帧通过串行口发送出去以供外部数据接收和存储。

图4 接收模块流程图

结论

本系统结构设计合理紧凑，成本低廉。监视模块可以工作在-40～125℃的温度范围，0～450kPa的压力范围。采用FSK调制传输方式，数据传输稳定可靠，灵敏度优于-100dbm。系统具有轮胎气压过高预警功能、欠压预警功能、漏气预警功能和温升过快预警等功能。经过现场测试，各项指标均符合NHTSA制定的基本要求，运行状况良好。