基于智能传感器MPXY8300的TPMS设计

    摘要：介绍了当前轮胎压力监测系统的设计方法，提出了基于MPXY8300智能传感器的轮胎压力监测模块和基于MC33596接收机的接收模块的设计方案，并给出了硬件电路以及软件程序流程。该系统可随时测定每个轮胎内部的实际温度和瞬压，确定故障轮胎并实时发出警示，有效避免爆胎事故的发生。
关键词：轮胎压力监测系统；MPXY8300；MC33596

1 概述
    轮胎在欠压状态下工作会导致轮胎温度升高，从而造成轮胎的损坏；在欠压情况下会增加燃油消耗，甚至会影响到汽车的可操控性和刹车性能。汽车轮胎压力监测系统(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)主要用于汽车行驶时对轮胎气压进行实时自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，可有效地延长轮胎寿命，节约燃油，提高汽车的安全性。就TPMS系统构造而言，其采集的温度、压力数据需要通过无线方式进行发送和接收，而且该收发电路要安装在轮胎里。这就必须要求其组成电路的芯片具有耐高温、低功耗、小体积等特点。
    目前，主要有英飞凌、Freescale以及通用公司3种流行的TPMS方案，均以自身的传感器为核心进行开发。英飞凌TPMS传感主要有SPl2、SPl2T、SP30等。Freescale TPMS系统主要由MPXY80x0传感器与MC68HC908RF2微处理器组成。通用TPMS传感器采用NPXI和NPXII。NPXI集成了硅压力传感器、电压传感器、温度传感器、8位RISC微处理器、大容量存储器以及一个LF输入级，所有的测量信号都以数字信号输出，便于客户直接调用；NPXII除了具有NPX的所有功能外，还集成了一个加速度传感器。此类TPMS设计方案如图1所示。

上述方案的共同缺陷在于轮胎监测模块的集成度不够高，即使是通用TPMS方案，也需在NPX模块外围再连接无线射频发射模块，不可避免地增大了系统功耗和模块体积。本文基于智能传感器MPXY8300和MC33596接收机，提出了一种高集成度TPMS系统的设计方法。

2 TPMS硬件电路设计
    基于智能传感器MPXY8300的高集成度TPMS系统，主要由TPMS传感器、微控制器和无线射频接收模块几个部分组成。TPMS系统设计中较关键的一点是数据的传输部分。整个数据传输部分由两部分组成：驾驶室中的无线接收部分和轮胎中的无线发射部分。这两部分数据传输的准确性、稳定性是系统优良性能的重要体现。
2．1 数据采集与发射电路设计
    数据采集与发射电路以Freescale公司的高智能传感器MPXY8300为核心，如图2所示。MPXY8300系列集成了Freescale公司的低功耗S08核，内含512字节RAM和16 KBFlash(其中8 KB为固件，即一些底层驱动、测试程序和标定数据等)；同时，集成了温度传感器和单通道的LF低频输入功能。MPXY8300系列的RF发射支持315MHz和434 MHz两种载波频率，并可通过寄存器配置成ASK或FSK调制方式。它还集成了电荷泵功能，当电池电压较低时，可提高RF发射部分供电电压，从而使其仍能达到一定的RF发射强度。

MPXY8300 TPMS是一款将压力传感器、8位MCU、RF收发器和双轴(XZ)加速器全部集成到一个封装的产品。MPXY8300TPMS具有如下功能：
    ①精确的压力测量。低功率表面微机械加工的电容性压力传感器的压力单元(P-cell)能够测量100～800kPa的压力范围，还为卡车轮胎(100～1400 kPa)提供高压范围压力单元，并为低成本应用提供可选的低精度校准。电容性表面微机电系统(MEMS)压力感应技术比压阻式批量MEMS在功率使用方面更具有优势。飞思卡尔电容性表面微机电系统提供O．14μA电流(3 V，30 kHz)，压阻式大规模MEMS则提供600～10 000μA。前者每读数O．9 nAs(nano-amp-second)最低电荷，后者是60～1000 nAs。
    ②完全集成。完全集成的MPXY8300TPMS模块为每个独立的轮胎(包括备胎)提供独立的压力测量。每个模块集成一个基于315／434 MHz PLL的RF收发器，即使车胎旋转或更换后仍能保持连续通信。集成的运动传感器可以进行编程，以传输特定速度(轮胎旋转)的测量数据，包括没有旋转的轮胎数据。
    ③可延长电池使用时间。有些法规要求TPMS解决方案的电池使用寿命为10年，MPXY8300结合一系列低功率技术，使用最少的电池资源确保长时间的稳定运行。驱动低功率唤醒定时器、定期复位驱动器的低频率震动以及TPMS的特定功率管理技术，可以延长电池使用时间，实现更便利、更经济的运行。
2．2 无线接收接口电路设计
    TPMS系统的接收模块主要由天线、射频接收电路、主控芯片MCU以及键盘、显示器组成，用于接收各发射模块传送的轮胎温度与压力数据，显示各轮胎的ID识别码和测量数据，并在异常情况发生时声光报警。由于接收模块安装在汽车车厢内，故对器件选用的各方面要求不高，工业级即可。
    MC33596是Motorola公司的高温集成UHF超外差无线电接收模块，其接口电路如图3所示。MC33596采用LQFP-24封装，工作频率在300～450 MHz频段，电压范围为4．5～5．5 V；接收灵敏度高达-103 dBm。芯片最大的特点是带有一串行外设接口SPI。通过SPI，它允许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信交换信息。SPI接口使用4条线；串行时钟线(SCLK)、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CONFB。

    主控芯片选用NXP公司的无线接收ARM7微控制器LPC2292，通过SPI接口与MC33596相连。LPC2292内含多个32位定时器、4路10位ADC、2路CAN以及多达9路外部中断等，特别适用于汽车、工业控制应用、医疗系统和容错维护总线；内部集成的2路CAN控制器符合CAN规范2．0BISOll 898-1；可访问32位的寄存器和RAM；每个总线的数据速率为1 MB／s；全局验收滤波器可识别所有总线的11位和29位Rx标识符；验收滤波器为
选择的标准标识符提供有FulICAN-style自动接收功能。
2．3 CAN总线接口电路设计
    本文设计的TPMS系统具有CAN总线功能，可以与汽车仪表盘CAN通信口相连，直接在仪表盘显示屏上显示各轮胎的胎压、温度等数据。CAN正常工作需要具备CAN控制器以及CAN总线驱动器，前者可实现网络层次结构中数据链路层和物理层的功能，后者则提供CAN控制器与物理总线之间的接口以及对CAN总线的差动发送和接收功能。
    LPC2292微控制器包含两个CAN控制器，单个总线上的数据传输速率高达1 Mb／s，具有32位寄存器和RAM访问，带有全局滤波器和验收滤波器。本系统采用双路带隔离CAN收发器CTM8251D，至少可连接110个节点。通过扩展CAN总线接口，使得串行通信方式的选择更加多样化。当车内仪表也具有CAN总线接口时，它们可以直接利用此接口与记录仪通信。CAN总线接口电路如图4所示。

3 软件设计
3．1 数据发射模块程序设计
    轮胎监测模块以数据包(帧)的形式发送数据。当轮胎模块中的MPXY8300决定要发送数据(由传感器采集到的温度、压力数据)时，通过发送数据帧的前导位唤醒接收模块，随后发送数据帧。其数据帧格式如下：

    发射程序流程如图5所示。监测模块被唤醒后首先进行电源检测。若压力值P1与存储在ROM里设定的压力阈值P2的差值超过设定的压差，则说明轮胎的压力超限，需要报警。此时为增强接收机接收数据的可靠性，连续发送16帧。

3．2 数据接收模块程序设计
    接通电源后接收机自身初始化，配置发射机相关参数，指示灯闪亮，模块进入工作状态。在接收到一个数据帧之后，通过校验和检验数据是否有误，并根据收到数据的设备ID点亮相应的指示灯以示报警，也可实现语音报警。同时，通过CAN总线接口将数据帧传至仪表盘，完成信息的显示报警。接收程序流程如图6所示。

结语
    本文通过对Freescale公司高集成度的MPXY8300芯片、接收芯片MC33596以及微控制器芯片LPC2292等器件的应用，得出一套较为完整的TPMS系统设计方案。该系统在功耗、体积、收发距离与可靠性以及安全性方面均具有明显的优势。