基于ADAS的無線接口電路設計 —電路圖天天讀（39）

　　汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）主要用于汽車行駛時對輪胎氣壓進行實時自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全。目前最流行的 PSBTPMS系統(tǒng)，是利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎氣壓的，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)視。當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動報警。就TPMS系統(tǒng)構造而言，其采集的溫度壓力數(shù)據(jù)需要通過一種無線方式進行發(fā)送和接收，而且該收發(fā)電路要安裝在輪胎里。這就必須要求其組成電路的芯片能夠耐高溫。要解決這兩個問題，可以利用Motorola公司研制的發(fā)射芯片MC33493和接收芯片MC33594。該兩款芯片都達到了汽車級溫度完全可以解決耐高溫的問題，且工作性能極好。它們與單片機一起構成的接口電路成為TPMS系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分。

　　TPMS系統(tǒng)主要由安裝在汽車輪胎內的壓力、溫度傳感器，信號處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊，安裝在汽車駕駛臺上的包括數(shù)字信號處理單元的RF接收器以及LCD組成。一般情況下，一輛轎車需要4個TPMS發(fā)射模塊和1個TPMS接收器；而一輛卡車需要6～12個TPMS發(fā)射模塊。為了提高系統(tǒng)的接收能力和抗干擾能力，系統(tǒng)安裝時需要在汽車底盤安裝接收天線。由SP12傳感器、微控制器、MC33493發(fā)射模塊、MC33594接收模塊等主要芯片組成的TPMS系統(tǒng)方案結構框圖如圖1所示。

　　溫度壓力傳感器將采集到的溫度壓力數(shù)據(jù)通過I2C總線或RS232接口送到單片機，單片機發(fā)送一使能信號ENABLE給發(fā)射器。當為高電平時，發(fā)射機開始工作，產生一個數(shù)據(jù)時鐘信號給單片機，用于信號的同步。此時，單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給發(fā)射機，發(fā)射機將得到的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)射出去。接收機通過天線接收到信號后，首先置RESET引腳為一低電平，此時微控制器為主機，通過MOSI線來設置作為從機的接收器內的寄存器，設置好以后置RESET腳為高電平。此后微控制器為從機，而接收器就變?yōu)橹鳈C。它產生時鐘信號，通過MOSI線將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機。此時單片機通過SPI接口與PC機實現(xiàn)簡單的連接，以達到在PC機上顯示報警的作用。

　　無線射頻接收芯片MC33594

　　摩托羅拉的MC33594器件是高溫集成UHF超外差無線電接收模塊。該芯片采用LQFP-24封裝，工作頻率在300～450MHz頻段，電壓在4.5～5.5V范圍內；接收靈敏度高達-103dBm。芯片最大的特點是帶有一串行外設接口SPI（Serial Peripheral Intelface）。通過SPI，它允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進行通信，交換信息。SPI接口使用四條線：串行時鐘線（SCK），主機輸入／從機輸出數(shù)據(jù)線MISO，主機輸出／從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機選擇線RESET。

　　TPMS系統(tǒng)設計中較關鍵的一點是數(shù)據(jù)的傳輸部分。整個數(shù)據(jù)傳輸部分由兩部分組成：一是駕駛室中的無線接收部分，另外一部分是輪胎中的無線發(fā)射部分。這兩部分數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、穩(wěn)定性，將是系統(tǒng)優(yōu)良性能的重要體現(xiàn)。

　　無線發(fā)射電路由發(fā)射芯片MC33493、AT89C2051單片機和電平轉換電路構成，如圖2所示。發(fā)射模塊中，引腳3（BAND引腳）接3V高電平，表示系統(tǒng)發(fā)射頻率為434MHz，用于選擇工作頻率；引腳 14（MODE引腳）接高電平，表示系統(tǒng)選擇FSK調制模式。FSK調制方式定義為一個信號的兩個不同的頻移值分別表示數(shù)字高、低兩種電平。在這個系統(tǒng)中，低頻移表示數(shù)字高電平，高頻移表示數(shù)字低電平。發(fā)射芯片的FSK調制方式由與晶振串聯(lián)的下拉負載電容C1來實現(xiàn)。與CFSK引腳相連的有一內部開關，用以選通下拉電容C1。當DATA=O時（MODE引腳置高電平），開關關閉，此時輸出高頻移；當DATA=1時，開關接通，此時輸出低頻移，這就實現(xiàn)了 FSK調制方式，也就是說，如果載波頻率是433.92MHz而且總的頻偏是士△f（MHz），則數(shù)字高電平表示為433.92MHz-△f，數(shù)字低電平表示為433.92 MHz+△f。

　　由于MC33493工作電平最大為3V，而微控制器89C2051工作電平最大為5V，要實現(xiàn)連接就必須進行電平轉換。系統(tǒng)供電為5V，通過電平轉換電路為發(fā)射芯片供電。其發(fā)射芯片MC33493通過電平轉換芯片與單片機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送。它與89C2051單片機及接收機一起構成無線數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)。

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　　無線接收接口電路設計

　　無線接收接口電路主要由接收芯片MC33594與AT89C2051單片機構成，如圖3所示。接收芯片MC33594通過SPI接接口與單片機AT89C2051的I／O口相連。該電路中，利用AT89C2051單片機的I／O口模擬SPI接口，通過用軟件控制的方式來進行數(shù)據(jù)的傳送。

　　利用并口P1.1來模擬SPI的SCK輸出端，P1.2模擬MCU的數(shù)據(jù)輸出端（MOSI），P1.3模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端（MISO），P1.4模擬 SPI的從機選擇端RESET。在接收之前，首先置RESET引腳為低電平，使接收機變?yōu)閺臋C，而單片機變?yōu)橹鳈C。單片機通過MOSI信號線將單片機內的程序寫入接收機的配置寄存器里對接收機進行配置，配置好后再置：RESET引腳為高電平。此時單片機變?yōu)閺臋C，而接收機變?yōu)橹鳈C，它產生時鐘信號，同時數(shù)據(jù)由RFIN端接入，經低噪聲放大器放大后送入混頻器，使其變換成中頻。在中頻級，經變換的信號在送入解調器之前被放大和濾波。

　　為了與MC33594接收機所設定的SPI工作狀態(tài)在邏輯時序上協(xié)調一致，要使串行時鐘輸出P1.1的初始狀態(tài)為1，在選通MC33594后，置P1.1為O。此時AT89C2051單片機輸出1位SCK時鐘，同時，使MC33594串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至AT80C2051單片機的P1.3（模擬MCU的MISO線），再置Pl.1為1，使AT89C2051單片機從P1.O輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至AT89C2051單片機。至此模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出完成。以后再置P1.1為0，模擬下一位的輸入輸出。依此循環(huán)8次，可完成1次通過SPI傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。其程序包括MCU串行輸入、串行輸出和串行輸入／輸出3個子程序。MCU串行輸入是從接收機的MISO線上接收8位數(shù)據(jù)并放入寄存器R0中；串行輸出是將AT80C51單片機中R0寄存器的內容傳送到接收機的MOSI線上；串行輸入／輸出將AT89C2051單片機R0寄存器的內容傳送到MC33594的MOSI線上，同時從MC33594的MISO線上接收8位數(shù)據(jù)。由MOSI引腳將接收到的數(shù)據(jù)送入到單片機，這樣數(shù)據(jù)就可以在PC機上進行顯示了。

電子發(fā)燒友網技術編輯點評分析：

　　輪胎壓力和溫度的實時監(jiān)測與報警系統(tǒng)將成為汽車安全系統(tǒng)必備的功能之一。本文中通過對Motorola發(fā)射芯片MC33493、接收芯片MC33594以及微控制器芯片AT89C2051等器件的應用，得出一套較為完整的TPMS的原理和設計方案。該系統(tǒng)在低功耗、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面具有明顯的優(yōu)勢。此外，也可用于單片機數(shù)據(jù)采集、遙測遙控、監(jiān)測等系統(tǒng)中，如遠距離無線抄表、無線鑰匙等。鑒此，針對系統(tǒng)的安全性、可靠性以及低功耗方面還有什么改進的技術問題，小編很期待您的高見。

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