基于NPX轮胎压力监测系统设计

1 引言

随着汽车消费市场的日益升温，汽车的安全性能更加被消费者所关注。在汽车的高速行驶中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在中国高速公路上发生的交通事故有70％是由于爆胎引起的，而在美国这一比例高达80％。基于此，美国运输部(DOT)国家公路交通安全管理委员会(NHTSA)出台法规。该法规规定：2003年11月到2006年10月31日期间美国新出厂的轻型汽车将逐步引入TPMS(Tire Pressure Monitoring Systerm)。鉴于如此大的市场潜力，国内一些公司也纷纷开始投入TPMS的研制。

2 TPMS硬件系统构成

轮胎压力监测系统分为直接系统和间接系统。间接系统即通过ABS来确定轮胎压力变化的系统。ABS通过车速传感器来确定轮胎故障，从而决定是否启动防抱死系统。目前这类系统没有直接系统准确率高，具体故障轮胎的确定也很困难，而且系统校准极其复杂。此外，在某些情况下此类系统会无法正常工作：例如同一车轴的2个轮胎气压都低。

直接系统一般由轮胎监测模块和主机接收显示模块构成。通过在每一个轮胎安装一个轮胎监测模块，在汽车行驶状态下实时监测各个轮胎，安装在驾驶台的主机接收显示模块实时显示各轮胎气压、温度等，驾驶者可以直观地了解各个轮胎状况，在轮胎出现漏气、低气压及高温等异常情况时，系统会自动报警，以保障行车安全。

2．1 轮胎监测模块

轮胎监测模块主要是用来嵌入到轮胎里面，监测轮胎内部气压和温度状况，并通过无线调制方式发送到的主机显示模块，故轮胎监测模块主要应包含传感器、微控制器、UHF发射器以及供电电池。整个模块放置在轮胎里面，在汽车高速行驶时轮胎内部产生高温情况下要能正常运行，并且能保证有效工作5～10年，故而模块的小型化、宽工作温度范围以及低功耗设计显得尤为重要。

2．1．1 NPX-C10746简介

NPX-C10746是GE Nova Sensor公司最新推出的轮胎压力监测系统专用芯片，它是由一块带有大量外围器件的Philip 8bit RISC内核组成的高集成度芯片。片内集成有压力传感器、温度传感器、电压传感器、低噪声放大器和12位A／D转换器；内置RC振荡器提供系统时钟，无需外接晶体振荡器；SOIC 14L封装，工作温度达汽车工业级(-40～+125℃)。

2．1．2 监测模块硬件构成

轮胎监测模块硬件结构图如图1所示。UHF发射芯片采用Atmel公司的ATA5757，该芯片集成度高、低功耗模式下电流<1μA、MSOP-10封装(3 x 5 mm)，能很好满足监测模块低功耗、小型化设计要求；工作电压范围2～3．6伏，在使用监测模块使用单块扣式电池供电时，可不加电源管理芯片，从而进一步降低系统功耗，延长工作时间。

监测模块供电采用Tadiran公司的TLH-2450长效锂亚硫酰氯扣式电池，该电池额定工作温度范围在-40*(2～+125℃之间，并具有外形尺寸小、能量密度更大、自放电极低的特点。此外，供电电池串联一个加速度开关(即图1中的Switch)，用作控制监测模块电源。当车轮转速超过2圈/秒时，加速度开关导通，监测模块开始工作。

2．2 主机接收显示模块

主机显示模块安装在汽车驾驶台，通过改变指示灯颜色和数码显示来告知驾驶员，车辆各轮胎当前的压力、温度及供电电压状况是否异常。 [page]

2．2．1 主机接收显示模块硬件构成

意义如下：

● 0xF(1111)：MC33594至少需要四比特的同步码来唤醒它，并让它的内部电路稳定。
● 0xB8(1100 1000)：MC33594的寄存器2被编程为0xB8，这样使前同步码中的0xB8数据被验证并接通数据管理器。
● 0x6(0110)：MC33594中报头被使能，指示有实际意义的数据输出(从轮胎ID开始)。 MC33594接收到的同步码不会发送到SPI总线，所以P89LPC930收到的数据帧从轮胎ID编号开始共8个字节。

轮胎ID编号长度为32 bit，它可用作表示轮胎监测模块所属TPMS系统的标志，并表明其被安装在哪个方位的轮胎，从而方便主机显示模块辨识。P89LPC930接收到数据帧后，会对轮胎ID编号进行检测，如果ID不匹配，数据帧就会被忽略。

气压、温度和电压各占一个字节，代表当前测得的数值。

CRC校验码通过监测模块调用NPX的CRC-16校验计算执行库生成，放置在数据帧帧尾。主机显示模块CRC校验正确后才进行相应处理，否则忽略该数据帧。

3．3．2 通信设置

系统无线通信载波频率选用433．92MHz，发射速率取9600 bps，采用FSK调制作方式。发射前先对数据帧进行曼彻斯特编码。曼彻斯特编码(如图3所示)就是用两个bit位之间的电平变化来表示数字信号0或1。由高电平变为低电平表示数字0，反之则表示数字1。通过曼彻斯特编码可以以减小发射信号的直流分量，降低误码率，提高通信距离。

曼彻斯特编码

4 结束语

基于NPX系列传感器的轮胎压力监测系统集成度较高，稳定性好，能够同时监测轮胎气压、温度及监测模块供电电亚三个关键参数，当轮胎漏气、温度升高等异常情况时，系统都会自动报警，从而确保行车安全，延长轮胎的使用寿命，降低燃油的消耗。此外，主机显示模块还可以通过扩展液晶显示、语音报警及提供与汽车控制系统接口等，来适应不同用户需要。该方案已成功应用在国内某一型号的TPMS产品中，且运行状况良好。

参考文献
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