基于MPXY8020傳感器的TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

　　68HC908RF2雖將MCU和RF電路集成于一體，但其接口電路仍需要外部連接，如圖3示。PTB1作為輸出控制RF電路的使能端ENABLE；PTB2和PTB3作為串行口與RF電路的RFDATA和DATACLK相連，經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼后的壓力溫度等信息，以二進(jìn)制數(shù)據(jù)流的方式傳輸給發(fā)射電路， 發(fā)射電路再以FSK方式進(jìn)行發(fā)射。其FSK工作原理較為簡(jiǎn)單，當(dāng)RFDATA輸入“1”或“0”時(shí)，引起CFSK的輸出阻抗的變化，從而切換晶體振蕩器Y1的兩個(gè)負(fù)載電容C1和C2，負(fù)載電容的改變使晶體振蕩器的諧振頻率發(fā)生很小的偏移，這樣經(jīng)過(guò)倍頻后FSK信號(hào)就可以產(chǎn)生。

　　發(fā)射模塊固件程序設(shè)計(jì)

　　發(fā)射模塊的固件程序從功能上來(lái)看較為簡(jiǎn)單，但從系統(tǒng)的可靠性、使用壽命等方面來(lái)考慮，對(duì)程序設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、有效性等提出很高的要求。特別是依靠1塊500mAh的鋰電池TPMS發(fā)射機(jī)要工作8年以上，除了優(yōu)秀的硬件設(shè)計(jì)外，固件程序?qū)Πl(fā)射模塊的各個(gè)電路進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、有效的控制顯得尤為重要。

　　圖4為簡(jiǎn)單的程序流程圖，考慮省電的問(wèn)題，整個(gè)發(fā)射模塊一般時(shí)間都處于省電模式。當(dāng)MPXY80203s中斷喚醒MCU后，MCU立即控制8020進(jìn)行壓力溫度檢測(cè)并獲得壓力溫度測(cè)量值，MCU再對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，看輪胎壓力及溫度是否處于正常狀態(tài)：如果胎壓、溫度正常，再判斷定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，如果定時(shí)時(shí)間沒有到就進(jìn)入省電模式，定時(shí)時(shí)間到，則進(jìn)行組幀、曼徹斯特編碼、發(fā)送RF數(shù)據(jù)，最后再進(jìn)入省電模式。相反，如果胎壓、溫度異常就直接進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)的程序。

圖4　發(fā)射流程圖

　　接收模塊設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)接收機(jī)采用摩托羅拉的接收芯片MC33594和中央處理器68HC908GT16，顯示器采用液晶顯示屏。

　　接收模塊硬件電路設(shè)計(jì)

　　MC33594是一個(gè)具有自動(dòng)增益控制的高靈敏度的OOK/FSK解調(diào)芯片，內(nèi)部包括混頻、中頻放大、鎖相環(huán)、解調(diào)、數(shù)據(jù)管理及SPI接口等電路。MCU可以通過(guò)SPI接口對(duì)MC33594的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，從而設(shè)置該接收芯片的調(diào)制類型、數(shù)據(jù)接收碼速率、RF載波頻率等信息。圖5為TPMS接收電路，MC33594通過(guò)接收天線接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的RF信號(hào)，將RF信號(hào)解調(diào)后通過(guò)SPI接口以中斷方式傳輸給68HC908GT16(MCU)，MCU負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)，并在必要時(shí)啟動(dòng)報(bào)警電路。

圖5　接收電路

　　接收模塊固件程序設(shè)計(jì)

　　接收程序與發(fā)射程序類似，雖然功能簡(jiǎn)單，但從可靠性來(lái)看，特別當(dāng)一個(gè)接收機(jī)要同時(shí)接收4個(gè)發(fā)射機(jī)甚至更多發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí)，接收程序處理數(shù)據(jù)的有效性、及時(shí)性顯得更為重要。

　　圖6為接收機(jī)程序流程圖，考慮接收數(shù)據(jù)的有效性，我們?cè)O(shè)計(jì)SPI中斷方式接收數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)幀后MCU解析出發(fā)射機(jī)的ID號(hào)、壓力值、溫度值等信息，再判斷該發(fā)射機(jī)的ID與本接收機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的ID是否一致，如果不一致，則丟棄該組數(shù)據(jù)并進(jìn)入省電狀態(tài)。如果ID一致，則處理數(shù)據(jù)并根據(jù)ID顯示相應(yīng)輪胎的壓力溫度數(shù)據(jù)，在壓力或溫度超出正常范圍時(shí)能及時(shí)、準(zhǔn)確地報(bào)警。

圖6　接收流程圖

　　無(wú)線通訊及協(xié)議

　　TPMS系統(tǒng)無(wú)線通信的設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，接收芯片MC33594提供了靈活的軟硬件通信資源。通過(guò)軟件對(duì)MC33594的內(nèi)部寄存器CR1、CR2、CR3進(jìn)行編程，設(shè)定本TPMS系統(tǒng)的載波頻率為434MHz，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps。發(fā)射模塊與接收模塊的數(shù)據(jù)傳輸采用固定幀長(zhǎng)，格式為：幀頭(2字節(jié))+發(fā)射機(jī)ID(4字節(jié))+壓力數(shù)據(jù)(1字節(jié))+溫度數(shù)據(jù)(1字節(jié))+狀態(tài)信息(1字節(jié))+校驗(yàn)(1字節(jié))+幀尾(1字節(jié))。

　　其中幀頭包含同步頭、預(yù)設(shè)的ID信息(用于RF信號(hào)識(shí)別)、報(bào)頭標(biāo)志(為二進(jìn)制曼徹斯特編碼0110)，同步頭用于喚醒MC33594的內(nèi)部電路，并通過(guò)PLL鎖定RF載波頻率；預(yù)設(shè)的ID信息用于識(shí)別系統(tǒng)信息的匹配；如果預(yù)設(shè)的ID信息匹配，則啟動(dòng)數(shù)據(jù)管理器，再判斷報(bào)頭是否到達(dá)，收到報(bào)頭后正式接收數(shù)據(jù)。

　　TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)分析

　　信號(hào)可靠性要求

　　TPMS是一個(gè)測(cè)量胎壓、溫度等，涉及安全信息的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)，其信號(hào)可靠性是設(shè)計(jì)中始終要考慮的問(wèn)題。該信號(hào)可靠性包括兩個(gè)方面：數(shù)據(jù)接收率和誤碼率。數(shù)據(jù)接收率是指接收機(jī)能否可靠地收到發(fā)射機(jī)發(fā)射的每一幀數(shù)據(jù)，不僅涉及接收機(jī)的靈敏度和發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，還有一個(gè)重要的影響因素：當(dāng)發(fā)射機(jī)裝入輪胎而接收機(jī)放入車內(nèi)時(shí)，車體本身相當(dāng)于一個(gè)屏蔽盒，對(duì)信號(hào)的衰減相當(dāng)大，再加上多個(gè)發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)沖突及周圍環(huán)境的干擾等，導(dǎo)致系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收率較低。誤碼率是指發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)在傳輸途中因?yàn)橥饨绛h(huán)境干擾致使接收機(jī)收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。