??? 摘? 要: 介紹了直接式TPMS（Tire Pressure Monitoring System）的基本結構和工作原理，設計了基于SP12、TDK5110和TDA5220的TPMS系統，實現了對輪胎狀況的實時監控，有效地降低了發射系統" title="發射系統">發射系統功耗，提高了系統的可靠性。
??? 關鍵詞： TPMS? SP12? 低功耗" title="低功耗">低功耗? 實時監測
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??? 每年由爆胎引起的交通事故在所有的交通事故中占有很大的比重。隨著人們對生命安全重視程度的提高，監測汽車輪胎壓力就成為汽車安全的一個重要課題。輪胎壓力監視系統TPMS（Tire Pressure Monitoring System）主要用于對汽車輪胎壓力的監視，對氣壓過高或者過低進行報警，從而保障行車安全。TPMS系統按工作原理又可以分成兩類：直接式系統和間接式系統。后者通常是通過汽車ABS系統的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉速差別，或者通過輪胎周長變化來發現輪胎氣壓的變化，以達到監視胎壓的目的。間接式系統由于借用了ABS系統，只需要加上電腦監控設備就可以進行檢測，因而成本較低。但是，該類型系統的主要缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100km/h的情況進行判斷，不利于掌握輪胎的準確情況[1]。本文介紹的是直接式系統：在每個輪胎都裝上傳感器，在駕駛臺面板上顯示當前輪胎壓力、溫度等數據，測量精度高。由于TPMS發射模塊" title="發射模塊">發射模塊安裝在輪胎內，必須采用電池供電，因此降低發射系統的功耗成為本研究中的一個關鍵技術。本文通過合理的器件選擇和軟、硬件方案，實現了低功耗、高可靠性的設計。
1 TPMS的系統結構和工作原理
??? TPMS系統由兩個部分組成，一部分是安裝在輪轂上的監測發射模塊，由傳感器、MCU、RF發射芯片、電池和天線組成；另一部分是安裝在駕駛室內的中央控制模塊，由接收天線、RF接收芯片、MCU和人機界面構成。其系統結構如圖1所示。MCU通過SPI總線獲取傳感器檢測到的壓力、溫度等數據，用異步串行方式送至RF芯片，同時輸出一個ENABLE信號啟動RF芯片，將數據發射給接收模塊" title="接收模塊">接收模塊。接收模塊顯示測量數據，并判斷數據是否超出閾值，以決定是否發出報警信號。
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2 TPMS系統硬件設計
2.1 TPMS傳感器
??? 本設計采用英飛凌公司生產的SP12[2]芯片，它具有氣壓測量、溫度測量、加速度測量功能和電源電壓檢測功能，能夠自動補償測量數據；采用SPI總線輸出；內置時鐘電路，能周期性輸出定時喚醒信號和復位信號。這些功能不僅能實現對輪胎壓力和溫度的檢測，還可以實現汽車啟動時開機，定時喚醒，電池欠壓報警等功能，達到省電并且保障安全的目的[3]。
2.2 發射模塊設計
??? 發射模塊由SP12、PIC16F630和TDK5110組成，如圖2所示。PIC16F630是由Microchip公司生產的汽車級" title="汽車級">汽車級的MCU，工作溫度-40℃～+125℃；采用TSSOP封裝，體積小；寬電源電壓范圍(2V～5.5V)，使用靈活。TDK5110是Infineon公司生產的汽車級的UHF發射芯片，有ASK和FSK兩種工作模式；完全集成PLL頻率合成電路，頻率穩定性好；采用TSSOP封裝，體積小；功耗極小：低功耗模式下，電源電壓3V，溫度25℃時消耗電流僅約0.3nA。
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??? 為了降低發射模塊功耗，MCU采用定時喚醒的工作方式，定時信號由SP12提供。MCU采取內置RC振蕩模式，以降低功耗和電磁干擾，同時因為RC振蕩模式的起振時間短，有利于降低系統功耗。鑒于RC振蕩的精度不高，頻率不夠穩定，對MCU與RF芯片的通訊同步有較大影響，而TDK5110有一個穩定的時鐘輸出，頻率為847.5kHz，可以用該時鐘信號提供準確的發送波特率。考慮到FSK方式的抗干擾能力更強，RF發射方式選擇FSK方式。TDK5110內置FSK開關，由7腳FSKDTA控制(FSKDTA為高電平時，開關斷開，輸出高頻移；FSKDTA為低電平時，開關閉合，輸出低頻移），從而實現FSK調制方式。設計中選擇電池的依據是體積小，容量大，輸出電壓穩定。鋰亞電池的比容量是所有電池中最高的，而且90%以上的電量可以在穩定的工作電壓上輸出，適應溫度范圍很寬，自放電極小，保質期可長達10年，因而非常適合TPMS的工作需要。
2.3 接收模塊設計
??? 接收模塊由RF接收器TDA5220、MCU PIC16F877A[4]以及人機界面和報警電路組成，如圖3所示。
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????PIC16F877A是一款功能強大的8位單片機，具有汽車級溫度范圍，片內集成了256B的E2PROM，8KB的Flash ROM，368B的RAM；內置看門狗電路；14個中斷源；除了通用串口還提供SPI和I2C總線接口；驅動能力強；端口資源豐富。PIC16F877A不僅能完成TPMS的功能，而且也有足夠的能力勝任將來對系統可能的升級。TDA5220是Infineon公司生產的汽車級UHF接收芯片，完全集成PLL頻率合成電路；工作頻率有400MHz~440MHz、810MHz~870MHz兩種范圍；可工作于ASK和FSK方式；接收靈敏度較高，ASK方式小于-107dBm，FSK方式小于-100dBm。
??? RF芯片與單片機采用異步串行方式通訊。TDA5220將接收到的數據送到PIC16F877A的同步/異步串行輸入端，單片機將數據送到LCD和報警控制電路。在更換輪胎時，通過鍵盤可以打開接收模塊的換胎模式，刪除壞胎的ID，接收新胎的ID，實現對新輪胎ID和位置的識別。
3 系統軟件設計
3.1發射模塊工作流程
??? SP12的WAKE UP引腳輸出定時信號，周期為6s，送至MCU的外部中斷輸入端，將MCU從睡眠狀態喚醒。MCU首先檢測加速度。考慮到汽車在行駛中很難保持加速度不變，而校正后的加速度數據不一定很準確，因而采用這樣的方法判斷汽車是否在運動：若前后兩次檢測到的加速度值相等，則認為汽車處于停止狀態，MCU轉入睡眠狀態。否則，MCU將檢測數據用異步串行方式送RF發射芯片。若數據正常，則每十次測量發送一次數據以節省電能；若數據超出正常范圍，則立即發送且發送多次，以提高發送的可靠性。發射程序流程如圖4所示。
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3.2 接收模塊工作流程
??? MCU將TDA5220傳來的數據做CRC校驗，然后判斷是哪個輪胎發來的數據，若不是來自本車則丟棄數據。若溫度、壓力和電池電壓數據超出正常值范圍，蜂鳴器發出報警聲，LCD閃爍，直至險情排除。接收程序流程如圖5所示。
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3.3 換胎模式
??? 換上新胎后，通過按鍵中斷開啟換胎模式：刪除存儲器中壞胎的ID，確認并記錄新胎的ID號和安裝的位置。由于系統接收到的信號不一定來自本車，因此需要對所有接收到的信號進行篩選。將MCU在一段時間內接收到的ID存入臨時存儲區，與存儲器中本車輪胎的ID逐個比較，判斷接收到的ID是不是來自本車。如果不是，則將臨時存儲區中出現次數最多的ID作為新輪胎的ID，把本車始終未收到信號的輪胎判為壞胎，刪除其ID，保留位置信息，存入Flash ROM。通過LCD和蜂鳴器發出信號，提示ID更換完成。換胎模式軟件流程如圖6所示。
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??? 鑒于發射系統無法更換電池，降低發射系統功耗就顯得至關重要。本方案通過加速度喚醒技術、減少不必要的信號發射次數、選擇合理的單片機振蕩方式降低了發射系統的功耗；通過對發射數據的編碼和校驗提高了收發過程的抗干擾性能；通過異常數據多次發送提高了系統的安全性。經試驗測量，該系統對氣壓的檢測誤差不超過±4psi，對溫度的檢測誤差不超過±2℃，有效通信距離大于10m，能夠滿足轎車和其他中小型車輛的需求。TPMS是行車安全的重要保障，隨著人們對生命安全重視的深入，TPMS開始成為汽車的標準配置，歐美已經通過立法，強制新車出廠前安裝TPMS系統，市場前景廣闊。本設計方案，較好地解決了系統低功耗、高可靠性的問題，符合美國國家公路交通安全管理局制定的基本標準[5]，具有產品化的前景。
參考文獻
[1] ?彭鍇，丁國清．輪胎智能檢測系統的研究[J]．微計算機信息，2005，21(4)：82-83．
[2]? Infineon Corp．SP12 tire pressure sensor， specification[EB/OL]．http://www.infineon.com
[3] ?顏重光． TPMS的設計方案思考[J]．電子質量,2005，(7)：6-9．
[4] ?李學海．PIC單片機實用教程[M]．北京．北京航空航天大學出版社,2002.
[5] ?National Highway Traffic Safety Administration．Tire pressure monitoring final rule[DB/OL]．www.nhtsa.dot.gov