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          基于射頻收發(fā)芯片CC1100的TPMS

          作者:合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 魯照權(quán) 劉 芳 黃梅 時間:2008-05-28 來源:電子工程師 收藏

             引言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/83210.htm

                 汽車工業(yè)的發(fā)展帶動汽車配備用品行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)升級。其中,繼安全氣囊、ABS(防抱死制動系統(tǒng))后,國際汽車領(lǐng)域出現(xiàn)的(汽車胎壓檢測系統(tǒng)),被譽(yù)為新一代汽車高科技安全配備用品。

                 在汽車的高速行駛過程中,輪胎故障是所有駕駛者最為擔(dān)心和最難預(yù)防的,也是突發(fā)性交通事故發(fā)生的重要原因。據(jù)統(tǒng)計,在高速公路上發(fā)生的交通事故有70%~80%是由于爆胎引起的。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。據(jù)有關(guān)專家分析,保持標(biāo)準(zhǔn)的車胎氣壓行駛和及時發(fā)現(xiàn)車胎漏氣是防止爆胎的關(guān)鍵。

                 國外自20世紀(jì)70年代末開始研究輪胎氣壓監(jiān)測裝置,歸納起來,主要分為兩種類型:一種是基于車輪速度的(間接式);另一種是基于壓力的(直接式)。現(xiàn)在美國及歐洲一些國家已將作為汽車必裝設(shè)備。我國的研究雖然起步較晚,但在2003年11月24日頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)--《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件(征求意見稿)》中,對安裝輪胎壓力檢測裝置作出了說明,可見我國已開始重視TPMS的發(fā)展。

                 本文提出的TPMS采用模塊化的設(shè)計,規(guī)范化的編程,其核心部分是將采集到的溫度壓力數(shù)據(jù)通過無線方式進(jìn)行發(fā)送和接收。利用Chipcon公司生產(chǎn)的無線收發(fā)芯片能很好地解決這一問題,它支持無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),功耗低,無需申請頻點,傳輸可靠。 1輪胎工作特性及TPMS技術(shù)要求

                輪胎由橡膠和骨架材料制成,裝于輪胎毅的外側(cè),支承汽車重量,吸收和緩和沖擊與振動,并使汽車與地面保持良好的附著性能,從而有效地傳遞汽車的驅(qū)動力矩或制動力矩。輪胎的工作特性對汽車的安全行駛影響很大。

                 影響輪胎正常工作特性的因素主要有:

               a)輪胎溫度過高。由于環(huán)境氣溫過高,以及輪胎在高速旋轉(zhuǎn)時與地面的摩擦,都有可能導(dǎo)致輪胎溫度過高,從而使橡膠老化,縮短了輪胎的使用壽命。

               b)輪胎內(nèi)部氣壓過大或欠壓。當(dāng)汽車負(fù)載過高或者溫度過高而引起胎內(nèi)氣體膨脹時,都會導(dǎo)致輪胎內(nèi)部氣壓過大而發(fā)生爆胎現(xiàn)象。

                c)輪胎漏氣導(dǎo)致欠壓,也會增大輪胎和地面的摩擦,不僅耗油,還會縮短輪胎的使用壽命。

                輪胎的機(jī)械性能主要是通過輪胎內(nèi)部的溫度和壓力反映出來,因此,TPMS只要能夠?qū)崟r地檢測到輪胎內(nèi)部的溫度和壓力情況,就可以分析出輪胎的運(yùn)行狀況。

                由于TPMS發(fā)射系統(tǒng)處于輪胎的封閉狀態(tài)中,因此,系統(tǒng)的主要技術(shù)要求如下:

               a)考慮到安裝并采用紐扣電池供電等問題,采樣發(fā)射端應(yīng)體積小、功耗低。
               b)系統(tǒng)能識別本各采樣發(fā)射端發(fā)來的溫度、壓力測量值。
               c)系統(tǒng)能濾除別的汽車發(fā)來的任何數(shù)據(jù)。
               d)接收端能對各采樣發(fā)射端發(fā)來的溫度、壓力測量值實時顯示,并能進(jìn)行越限報警。

                2 TPMS原理與硬件設(shè)計

                 2.1 TPMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

                 TPMS由采樣發(fā)射模塊和接收模塊構(gòu)成。采樣發(fā)射模塊安裝在輪胎內(nèi),接收模塊安裝在車廂內(nèi)。采樣發(fā)射模塊對壓力檢測的氣壓和溫度信號進(jìn)行采樣,由 MCU(微控制單元)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理后送給發(fā)射電路,信號經(jīng)調(diào)制后發(fā)射給接收模塊。接收模塊的解調(diào)電路將發(fā)射模塊發(fā)射出來的信號放大解調(diào)后,將數(shù)字信號送給MCU。MCU作出相應(yīng)的處理,如更新當(dāng)前壓力值、聲光報警等,從而實現(xiàn)輪胎壓力的顯示和監(jiān)控。由、MCU、發(fā)射、接收等主要芯片組成的TPMS結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)總體布局如圖2所示。

          2.2系統(tǒng)功能與總體設(shè)計

           

                 TPMS采樣發(fā)射模塊工作在劇烈振動、環(huán)境溫差變化很大和不便于隨時檢修的條件下。因此,要求所有的器件有很高的可靠性和穩(wěn)定性,能適應(yīng)寬的溫度范圍和劇烈的震動。為了縮小TPMS采樣發(fā)射模塊的體積、節(jié)省功耗和增強(qiáng)功能,需要選用功耗低,功能強(qiáng)的芯片。

                 為了延長TPMS采樣發(fā)射模塊電池的使用壽命,使其能工作3~5年,系統(tǒng)節(jié)電是一個十分重要的課題。只有在大多數(shù)時間系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài),才能省電與延長電池壽命。

                 系統(tǒng)的主要功能如下:

                a)實時監(jiān)測各輪胎的溫度、壓力情況。
                b)當(dāng)某個輪胎的壓力過高、過低時報警。
                c)輪胎保養(yǎng)換位時,各輪胎采樣發(fā)射模塊的位置編號可重新設(shè)定。
                d)可顯示各輪胎當(dāng)前壓力值、溫度值。

                 安裝采樣發(fā)射模塊時,將5個模塊逐個開啟工作,進(jìn)行注冊。接收端接收到采樣發(fā)射模塊發(fā)來的未注冊的ID(識別碼)編碼后實施注冊,并由人工設(shè)置相應(yīng)的輪胎編號。接收端的MCU將ID與輪胎編碼存儲在E2PROM中,供正常工作時使用。

                 若輪胎中模塊失效后,可以將要變更的采樣發(fā)射模塊ID從主機(jī)接收模塊中刪除后重新注冊。輪胎保養(yǎng)換位后可以在主機(jī)接收模塊中重新設(shè)置輪胎編碼。

                 由于各采樣發(fā)射模塊ID的非重復(fù)性,可以有效地避免同一車輛的5個輪胎采樣發(fā)射模塊之間或不同車輛采樣發(fā)射模塊之間的互相干擾。

                 汽車行駛時,接收模塊中振動傳感器檢測到汽車振動信號,TPMS被激活。主機(jī)通過收發(fā)芯片發(fā)送命令將采樣發(fā)射模塊從休眠中喚醒。采樣發(fā)射模塊將輪胎內(nèi)部的溫度與壓力值經(jīng)打包后發(fā)送出來。接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)包中的ID與存儲在主機(jī)E2PROM中的ID及輪胎編碼進(jìn)行比對,以確定是哪個輪胎的數(shù)據(jù),并進(jìn)行存儲與顯示。當(dāng)輪胎的壓力過高或過低時,進(jìn)行報警。汽車停止時,振動傳感器檢測不到振動信號,TPMS便進(jìn)入休眠狀態(tài)。汽車停止時,若想知道輪胎內(nèi)部的溫度與壓力值,駕駛員可通過按鍵激活TPMS,讀取輪胎當(dāng)前壓力、溫度值。

                  2.3無線采樣發(fā)射模塊設(shè)計

                  由SP12、ATmega48(以下簡稱AT48)和構(gòu)成采樣發(fā)射模塊。SP12是一種壓力傳感器。測量范圍100 kPa~4 500 kPa,內(nèi)部具有A/D和SPI(串行外設(shè)接口),可以方便地在TPMS中應(yīng)用。SP12為14引腳貼片封裝,不需要其他的外部器件。

                 AT48是ATMEL公司生產(chǎn)的基于AVR增強(qiáng)型RISC(精簡指令集計算機(jī))結(jié)構(gòu)的極低功耗8位CMOSMCU。正常模式為:1 MHz,1.8 V/300μA;32 kHz,1.8 V/20μA(包括振蕩器);掉電模式為:1.8 V/0.5μA。

                 是一種低成本的基于Chipcon′Smart RF()技術(shù)的單片可編程UHF收發(fā)芯片,為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。其工作頻段靈活,可以設(shè)定在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)和SRD頻段。功耗低(接收電流小于16 mA,發(fā)射電流小于30 mA,休眠時電流小于10 μA,且支持無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。CC1100的主要工作參數(shù)能通過SPI接口編程改變,這樣使CC1100使用起來更靈活。

                  采樣發(fā)射模塊電路設(shè)計如圖3所示。傳感器SP12將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給AT48,AT48將數(shù)據(jù)通過SPI口送給CC1100,再由CC1100轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給主機(jī)接收 模塊。

                  模塊發(fā)射頻率由發(fā)射芯片CC1100的晶振及外部元件決定,本系統(tǒng)選擇發(fā)射頻率433 MHz,這時引腳8和引腳10接26 MHz晶振。C2為(3.9±0.25)pF,C3為(3.9±0.25)pF,C4為(8.2±0.5)pF,C5為(5.6±0.5)pF,C6為 220pF±5%,C7為220pF±5%,L2為27nH±5%,L3為27nH±5%,L4為22nH±5%,L5為27nH±5%。電阻R2用來設(shè)置一個精確的偏置電流。C3、C2、L2和L3形成一個平衡轉(zhuǎn)換器,用以將CC1100上的微分RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號。CC1100支持振幅、頻率和移相調(diào)制格式,可以通過寄存器MDM-CF2.MOD_FORMAT進(jìn)行配置。

                  通過設(shè)置CC1100寄存器WORCTRL將其配置為WOR(電磁波激活)方式,并設(shè)置寄存器位MCS1.RX-OFF_MODE。當(dāng)采樣發(fā)射模塊接收到有效數(shù)據(jù)包后,CC1100被激活并進(jìn)入發(fā)射模式同時喚醒AT48。

                 2.4無線接收模塊設(shè)計

                 接收電路由無線收發(fā)芯片CC1100和AT48組成,如圖4所示。

                 CC1100和AT48通過SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在接收狀態(tài)時,由SCLK作為同步時鐘,CC1100收到有效的數(shù)據(jù)信息,將數(shù)字信號送給AT48的 SPI口。AT48將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼,從數(shù)據(jù)流中提取各輪胎的溫度和壓力值,然后作出相應(yīng)的處理,如更新當(dāng)前溫度和壓力值、聲光報警等。在接收之前, AT48通過對SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDR寫相關(guān)數(shù)據(jù),對CC1100進(jìn)行初始化和配置相應(yīng)寄存器,然后等待接收數(shù)據(jù)。

           


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