TPMS方案設(shè)計及芯片選擇

1、前言

輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS -Tire pressure monitoring system)對于提高汽車安全性有舉足輕重的影響，當(dāng)今世界己有不少國家高速公路安全協(xié)會因此立法強制實施TPMS。而低功耗、在惡劣環(huán)境下高度運行的 可靠性、較小的壓力傳感器誤差容限，以及更長的工作壽命等是TPMS的主要要求，于是方案的設(shè)計和芯片的選擇也圍繞這個要求進行。

1.1目前TPMS主要有三種實現(xiàn)方式

直 接TPMS系統(tǒng)、間接TPMS系統(tǒng)和正在推出的混合TPMS。但是，間接TPMS有一定的局限性，采用間接方法進行檢測在很大程度上依賴于輪胎和負載因 子。直接TPMS采用固定在每個車輪中的壓力傳感器直接測量每個輪胎的氣壓。然后，這些傳感器會通過發(fā)送器將胎壓數(shù)據(jù)發(fā)送到中央接收器進行分析，分析結(jié)果 將被傳送至安裝在車內(nèi)的顯示器上。顯示器的類型和當(dāng)今大多數(shù)車輛上裝配的簡單的胎壓指示器不同，它可以顯示每個輪胎的實際氣壓，甚至還包括備用輪胎的氣 壓。因此，直接TPMS可以連接至顯示器，告訴司機哪個輪胎充氣不足。直接TPMS也可檢測到較小的壓降。有些系統(tǒng)甚至可以檢測到 7kPa--1.0psi的壓降。為滿足多輪壓力檢測要求，由于系統(tǒng)安裝了直接氣壓傳感器，混合TPMS能夠克服常規(guī)直接TPMS的局限性，它們能夠檢測 到在同一個車軸或車輛同一側(cè)的兩個處于低壓狀態(tài)的輪胎，當(dāng)所有4個輪胎都處于低壓狀態(tài)時，系統(tǒng)也可以檢測到故障。

1.2下一代新型系統(tǒng)，就是將集成車輪模塊所需的感應(yīng)功能和發(fā)射功能。

這 就意味著，MCU、傳感器和射頻發(fā)射器都被封裝在一起。與現(xiàn)有的產(chǎn)品相比較它集成了氣壓傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、搭載片上閃存的8051微處理 器、低頻接收器接口以及315/433/868/915MHz射頻發(fā)射器。除減少組件數(shù)量外，它還可以降低系統(tǒng)總體成本，因為板卡設(shè)計更加簡單，尺寸更 小。而另外一項重要的設(shè)計挑戰(zhàn)來自于無線控制，第一代TPMS發(fā)送器的設(shè)計采用SAW共振器的ASK調(diào)制技術(shù)來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)陌l(fā)射頻率。該 ASK系統(tǒng)雖然非常廉價，但卻容易受到由于車輪(發(fā)送器安裝在其上)旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的接收場強變化的影響。出于這一原因，現(xiàn)在的TPMS都采用基于晶體振蕩器 的FSK調(diào)制方法和PLL合成器來產(chǎn)生中心頻率和頻率牽引。

值此本文將以基于LIN總線分布式實時輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的方案為例作分析，并對用于TPMS新型芯片作介紹。

2、基于LIN總線分布式實時輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案

為 實現(xiàn)長期(≥10年)使用壽命這一目標(biāo)，必須使用低功耗集成化部件。電源管理因此成為首要的挑戰(zhàn)。也就是說TPMS面臨的主要問題是在有限的能源下能有較 長的使用壽命?？梢酝ㄟ^采用低功耗的壓力傳感器、分析測量所得數(shù)據(jù)并結(jié)合車輛實際情況(熄火或運行)來改變監(jiān)控系統(tǒng)的工作方式及高效的數(shù)據(jù)采集控制算法等 方法來降低整個系統(tǒng)的功耗。

由于將研討LIN總線應(yīng)用于TPMS，并用MCU、RF和傳感器實現(xiàn)TPMS見圖1直接式基于LIN總線的 TPMS方案示意圖。而實用 TPMS示意的輪胎氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，是由與輪胎閥一體的4個訊號發(fā)射器、收訊天線、收訊器及訊號顯示儀四類部件組成的。為此有必要先對汽車應(yīng)用的LIN總線 有關(guān)技術(shù)作介紹。

2.1關(guān)于汽車應(yīng)用的LIN總線技術(shù)

2.11LIN總線LIN總線的主要特征為API到物理層的結(jié)構(gòu)

針 對汽車應(yīng)用的LIN 1.0(本地互連網(wǎng)絡(luò))和LIN 2.0總線系統(tǒng)，它的目標(biāo)是低成本應(yīng)用，除了TPMS外還有電動門、電動窗、側(cè)鏡、雨刮器、座椅安全帶報警、外部照明等。LIN總線的傳輸速度最大為 20kbps，而且它在單通道總線環(huán)路中最多能支持16個節(jié)點，總線電纜的長度最多可以擴展到40米。LIN足一種基于通用SCI(UART)字節(jié)接口的 單線串行通訊為協(xié)議。圖2(a)框圖所示為LIN總線API到物理層的結(jié)構(gòu)。而LIN總線的主要特征為：—個主節(jié)點、多個從節(jié)點的概念，無需總線仲裁;低 成本：基于普通UART/SCI接口硬件;自同步，在從節(jié)點中不用晶體振蕩器或陶瓷振蕩器時鐘;保證信號傳輸?shù)难舆t時間;低成本單線實現(xiàn)連接;速度高達 20kbps;基于應(yīng)用交互作用的信號;LIN總線的驅(qū)動/接收器規(guī)范遵從IS09141標(biāo)準。

2.12LIN拓撲結(jié)構(gòu)

LIN 采用單主機多從機模式，一個LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個主機節(jié)點和若干個從機節(jié)點。(由于過多節(jié)點將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻抗過低，一個L1N網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)不宜超過16。) 主機節(jié)點既包括主機任務(wù)也包括從機任務(wù)，從機節(jié)點都只包括從機任務(wù)，如圖2(b)為LIN拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。主機節(jié)點也可以通過網(wǎng)關(guān)和其他總線如CAN連 接。

2.2 于LIN總線分布式實時輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計

圖1描述了基于L1N總線的TPMS總體結(jié) 構(gòu)，其中中央控制器的功能主要有三：通過LIN總線通知LIN從節(jié)點喚醒相應(yīng)輪胎內(nèi)的發(fā)送模塊;通過LIN總線返回LIN從節(jié)點接收到的輪胎壓力等數(shù)據(jù); 分析、顯示已及聲光報警。當(dāng)LIN從節(jié)點接收到LIN 主節(jié)點發(fā)出的喚醒命令時，該節(jié)點會向發(fā)送模塊發(fā)出LF喚醒信號，讓其進入工作狀態(tài)。LIN主節(jié)點Master向LIN從節(jié)點發(fā)送獲取命令幀，LIN從節(jié)點 把數(shù)據(jù)通過LIN總線反饋給LIN主節(jié)點(主控)。

2.21輪胎內(nèi)壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊與芯片選擇

*輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊

由 于輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊都放在輪胎內(nèi)，所以對IC的要求特別高，一般有如下要求：工作溫度-40℃—125℃，短時間內(nèi)達150℃; 低功耗來保持電池壽命;能承受2000G(250kmh輪胎轉(zhuǎn)動時的離心力;傳感器能保持長期的穩(wěn)定;IC體積少，重量輕;帶有壓力與溫度和電壓檢測。圖 3左虛線框是基于輪胎內(nèi)的壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊示意結(jié)構(gòu)圖。其中壓力傳感器IC是一款集成了壓力、溫度、電壓檢測傳感器、LF、MCU的 IC。而發(fā)送IC是RF發(fā)射芯片系列。

*壓力傳感IC與發(fā)送IC合成的模塊芯片選擇及特征

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