可實(shí)現(xiàn)自主配置的新型TPMS設(shè)計(jì)

肖文光,李艷華,張建軍,唐家文

(無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)與人工智能學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214153)

在汽車內(nèi)部眾多電子控制單元中,胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System,TPMS)和遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)(Remote Keyless Entry,RKE)是汽車安全、防盜系統(tǒng)的重要組成部分.直接式TPMS主要由輪胎傳感器和胎壓接收器組成.RKE系統(tǒng)主要由安裝在車內(nèi)的主控單元和便攜式鑰匙模塊組成.

直接式TPMS各輪胎傳感器與胎壓接收器需要先完成位置匹配才能正常使用.車輛出廠前一般由廠家完成配置,當(dāng)車主需要輪胎換新或調(diào)換時(shí),只能去4S店或?qū)I(yè)維修機(jī)構(gòu)才能完成各輪胎傳感器與胎壓接收器的重新匹配.這種方式使得TPMS配置的時(shí)間、地點(diǎn)都受到限制,車主不能自主完成配置,使用不方便,且花費(fèi)的精力和時(shí)間較多[1].

RKE和TPMS是基于無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送信息,二者在射頻技術(shù)指標(biāo)上的對(duì)比結(jié)果如表1所列.

表1 RKE和TPMS技術(shù)參數(shù)對(duì)比

由于RKE和TPMS在射頻工作原理上存在共同點(diǎn),可考慮將二者的無(wú)線接收器共用,減少硬件開(kāi)銷從而降低成本.文獻(xiàn)[2]提出在無(wú)鑰匙進(jìn)入與無(wú)鑰匙啟動(dòng)系統(tǒng)中集成TPMS的設(shè)計(jì)方案,文獻(xiàn)[3]提出在車身控制器中集成TPMS的方案.這兩種方案都是在車身控制器中集成TPMS,由于車身控制器需要驅(qū)動(dòng)車窗、雨刮器等多個(gè)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu),控制電流很大,容易對(duì)TPMS無(wú)線通信產(chǎn)生電磁干擾,導(dǎo)致TPMS誤報(bào)警或接收失敗.

基于遙控鑰匙的便攜性和方便性,本設(shè)計(jì)考慮將輪胎傳感器低頻觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路集成到RKE鑰匙中,同時(shí)基于共性設(shè)計(jì)的思想和CAN總線技術(shù),提出一種可實(shí)現(xiàn)自主配置的復(fù)合型TPMS設(shè)計(jì)方案,為降低成本和提升產(chǎn)品性能提供了新思路.

1 系統(tǒng)描述

可實(shí)現(xiàn)自主配置的復(fù)合型TPMS主要由RKE鑰匙、輪胎傳感器、雙模胎壓收發(fā)器以及組合儀表、車身控制器組成,系統(tǒng)組成如圖1所示.RKE鑰匙內(nèi)部集成有低頻驅(qū)動(dòng)電路,可以和輪胎傳感器通過(guò)低頻125 kHz進(jìn)行通信;除了RKE系統(tǒng)使用的上鎖、解鎖兩個(gè)按鍵之外,還需要至少一個(gè)低頻觸發(fā)“配置”按鍵.當(dāng)汽車點(diǎn)火開(kāi)關(guān)為ON狀態(tài)時(shí),胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入正常模式;當(dāng)汽車點(diǎn)火開(kāi)關(guān)為OFF狀態(tài)時(shí),胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入熄火模式.正常模式下雙模胎壓收發(fā)器只接收4個(gè)輪胎傳感器的胎壓檢測(cè)數(shù)據(jù),熄火模式下雙模胎壓收發(fā)器只接收RKE鑰匙發(fā)送的按鍵指令.雙模胎壓收發(fā)器通過(guò)高速CAN總線與組合儀表和車身控制器連接,由組合儀表完成胎壓數(shù)據(jù)的顯示或報(bào)警,由車身控制器完成開(kāi)門、關(guān)門、車窗玻璃升降等動(dòng)作.RKE鑰匙和雙模胎壓收發(fā)器之間的通信采用ASK調(diào)制模式.4個(gè)輪胎傳感器和雙模胎壓收發(fā)器之間的通信采用FSK調(diào)制模式.RKE和TPMS的通信頻率均為433.92 MHz.

圖1 TPMS系統(tǒng)組成

2 硬件設(shè)計(jì)

可實(shí)現(xiàn)自主配置的復(fù)合型TPMS硬件設(shè)計(jì)主要包括低頻驅(qū)動(dòng)電路、輪胎傳感器電路和胎壓收發(fā)器電路3部分.

2.1 低頻驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

低頻驅(qū)動(dòng)電路的原理是單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)125 kHz的PWM信號(hào),經(jīng)低頻天線和電容組成的LC串聯(lián)諧振電路后變成正弦波,其驅(qū)動(dòng)電路原理如圖2所示.

圖2 低頻驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)電路的諧振頻率與PWM信號(hào)的頻率一致時(shí),LC 電路阻抗最小,通過(guò)低頻天線的負(fù)載電流最大,從而產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng).由圖2可知,當(dāng)方波正脈沖輸入時(shí),經(jīng)耦合電容C2、C3濾除低頻分量和電阻限流后到達(dá)三極管V3、V4的基極.此時(shí),V3基極電壓接近VDD,V3管截止,V4管導(dǎo)通,L2、C5組成的低頻諧振回路開(kāi)始放電,諧振頻率為125 kHz.D2、D3用于穩(wěn)定功放三極管基極,R3、R4為發(fā)射極限流電阻.V3、V4基極并聯(lián)電容C4用于調(diào)節(jié)功放三極管開(kāi)關(guān)速度,降低由開(kāi)關(guān)工作轉(zhuǎn)換不理想帶來(lái)的損耗,適當(dāng)減小加速電容C4可以加快功放三極管的開(kāi)關(guān)速度.PWM方波負(fù)脈沖輸入時(shí)情況與上述剛好相反,V3管導(dǎo)通,V4管截止,L2、C5組成的低頻線圈諧振回路開(kāi)始充電,由此在低頻線圈L2周圍產(chǎn)生125 kHz電磁場(chǎng)[4].

2.2 輪胎傳感器電路設(shè)計(jì)

輪胎傳感器主要由單片機(jī)、傳感器、射頻單元、電池和天線5部分組成,傳感器通常包括壓力傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器.隨著微電子機(jī)械(MEMS)技術(shù)的進(jìn)步,輪胎傳感器朝著將單片機(jī)、傳感器、射頻單元等集中到一顆芯片的單芯片化方向發(fā)展,體積更小,功耗也更低,作為其典型代表的英飛凌公司的SP40應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)如圖3所示.SP40應(yīng)用電路分為高頻發(fā)射電路和低頻接收電路兩部分.

圖3 SP40應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)

2.2.1 高頻發(fā)射電路

TPMS常用工作頻率有433.92 MHz和315 MHz兩個(gè)頻點(diǎn).美國(guó)、加拿大等北美國(guó)家主要采用315 MHz頻點(diǎn),而歐洲國(guó)家多采用433.92 MHz頻點(diǎn).SP40只需要一個(gè)26 MHz晶振即可同時(shí)支持315 MHz和433.92 MHz工作頻率,而早期的傳感器芯片通常需要兩個(gè)不同頻率的晶振.L2、L3、C4、C11、C12和C13組成了天線匹配網(wǎng)絡(luò),通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù)可以抑制諧波,實(shí)現(xiàn)特定阻抗的天線與SP40功率放大器相匹配,提高天線的效能.本設(shè)計(jì)采用氣門嘴作為天線,通過(guò)軟件仿真和反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證,最佳匹配電路如圖3所示.針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象,SP40有FSK、ASK兩種調(diào)制模式可供選擇.ASK調(diào)制模式是根據(jù)數(shù)字信號(hào)l和0開(kāi)通或斷開(kāi)載波,抗噪聲能力較差,易受干擾.FSK調(diào)制模式是按照數(shù)字信號(hào)的值來(lái)調(diào)制不同的載波頻率(即0和1分別用不同的頻率表示),抗干擾性能較強(qiáng),由于汽車內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)雜,所以本設(shè)計(jì)選用FSK調(diào)制方式,并通過(guò)寄存器XTALl和寄存器XTAL0實(shí)現(xiàn).

2.2.2 低頻接收電路

2.3 胎壓收發(fā)器電路設(shè)計(jì)

圖4 MAX7032應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括自主配置步驟和胎壓傳感器軟件控制流程兩部分.

3.1 自主配置步驟

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用戶自主配置包括下列操作步驟:

(1)汽車點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打到ON狀態(tài),在組合儀表上設(shè)置光標(biāo)停在右前輪,并按照1秒周期進(jìn)行閃動(dòng);

(2)將RKE鑰匙距離右前輪氣門嘴10 cm處,按下“配置”鍵觸發(fā)右前輪內(nèi)部的輪胎傳感器;

(3)右前輪輪胎傳感器立即檢測(cè)輪胎內(nèi)部的氣壓和溫度信息,并和傳感器芯片ID號(hào)打包成一幀數(shù)據(jù)發(fā)給胎壓收發(fā)器;

(4)胎壓收發(fā)器解調(diào)出數(shù)據(jù)幀并判斷,如果正確則通過(guò)CAN總線發(fā)給組合儀表顯示,如果錯(cuò)誤則丟棄繼續(xù)等待接收;

(5)組合儀表接收到正確的數(shù)據(jù)幀后,讀取傳感器ID號(hào),將該ID號(hào)和右前輪匹配顯示當(dāng)前的氣壓值和溫度值,并啟動(dòng)聲音報(bào)警表示配對(duì)成功;

(6)設(shè)置光標(biāo)到下一個(gè)輪胎位置,重復(fù)步驟(2)～(5)即可完成其余輪胎內(nèi)部傳感器的配對(duì).

3.2 輪胎傳感器軟件控制流程

當(dāng)汽車點(diǎn)火開(kāi)關(guān)狀態(tài)為ON時(shí),TPMS進(jìn)入正常模式;當(dāng)汽車點(diǎn)火開(kāi)關(guān)狀態(tài)為OFF時(shí),TPMS進(jìn)入熄火模式.正常模式下,輪胎傳感器的軟件控制流程如圖5所示,4個(gè)輪胎傳感器分別按照2 min/次檢測(cè)加速度,當(dāng)連續(xù)5次加速度檢測(cè)值在-5 g～+5 g區(qū)間時(shí)認(rèn)為是處于停車狀態(tài),停車狀態(tài)輪胎傳感器控制流程如下:

圖5 輪胎傳感器軟件控制流程

(1)胎壓、加速度檢測(cè)周期均為5 s,只檢測(cè)數(shù)據(jù)不發(fā)射;

(2)當(dāng)檢測(cè)氣壓變化值超過(guò)0.3 bar,發(fā)送一次胎壓數(shù)據(jù)更新顯示;

(3)當(dāng)檢測(cè)到氣壓低異常狀態(tài)時(shí),按照30 s/次發(fā)送胎壓數(shù)據(jù),發(fā)送7次后按照4 min一次發(fā)送胎壓數(shù)據(jù),氣壓恢復(fù)正常則自動(dòng)消除報(bào)警.

若加速度檢測(cè)值超過(guò)±5 g時(shí),則認(rèn)為進(jìn)入行車狀態(tài),行車狀態(tài)輪胎傳感器控制流程包括下列步驟:

(1)檢測(cè)輪胎內(nèi)部氣壓值,并按照30 s一次發(fā)送胎壓數(shù)據(jù),發(fā)送7次后按照4 min一次發(fā)送胎壓數(shù)據(jù);

(2)氣壓檢測(cè)周期均為5 s,加速度檢測(cè)周期為3 min;

(3)當(dāng)檢測(cè)氣壓變化值超過(guò)0.3 bar,發(fā)送一次胎壓數(shù)據(jù)更新顯示;

(4)當(dāng)檢測(cè)到氣壓低異常狀態(tài)時(shí),按照5 s一次發(fā)送胎壓數(shù)據(jù),發(fā)送7次后按照3 min一次發(fā)送胎壓數(shù)據(jù),氣壓恢復(fù)正常則自動(dòng)消除報(bào)警.

熄火模式下,胎壓收發(fā)器內(nèi)的無(wú)線收發(fā)器MAX7032進(jìn)入ASK接收狀態(tài),開(kāi)始接收遙控鑰匙發(fā)送的遙控命令,此時(shí)收發(fā)器對(duì)其他FSK信號(hào)是不能解碼的.此外,胎壓收發(fā)器的發(fā)送功能只在與遙控鑰匙進(jìn)行配對(duì)時(shí)啟用[8].

4 性能測(cè)試

TPMS的性能測(cè)試包括接收靈敏度測(cè)試、發(fā)射功率測(cè)試、傳感器功能測(cè)試和傳輸距離測(cè)試等多個(gè)方面,下面著重對(duì)雙模胎壓收發(fā)器的接收靈敏度測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明.

接收靈敏度的測(cè)試需要用到的測(cè)試儀器包括信號(hào)發(fā)生器、示波器、直流穩(wěn)壓電源、串口轉(zhuǎn)換板和誤碼率測(cè)試軟件等.測(cè)試原理為:①信號(hào)發(fā)生器模擬輪胎傳感器模塊產(chǎn)生特定頻率的方波信號(hào)并調(diào)制高頻輸出;②輸出射頻信號(hào)加之無(wú)線收發(fā)器MAX7032的接收天線處;③MAX7032解碼輸出原始方波信號(hào)送入單片機(jī)定時(shí)捕捉引腳;④單片機(jī)根據(jù)設(shè)定脈寬門限判斷方波信號(hào)對(duì)錯(cuò),判斷結(jié)果通過(guò)串口轉(zhuǎn)換板發(fā)送到誤碼率測(cè)試軟件;⑤測(cè)試軟件統(tǒng)計(jì)接收1 000次出錯(cuò)的次數(shù),錯(cuò)誤次數(shù)不超過(guò)2次就是合格的,即誤碼率≤0.2%.誤碼率測(cè)試介面如圖6所示.

圖6 誤碼率測(cè)試界面

MAX7032的靈敏度測(cè)試包括ASK靈敏度測(cè)試和FSK靈敏度測(cè)試.以FSK靈敏度測(cè)試為例,測(cè)試前信號(hào)發(fā)生器調(diào)制頻率設(shè)為433.92 MHz,方波信號(hào)頻率設(shè)為2 kHz,FSK頻移設(shè)為50 kHz.信號(hào)發(fā)生器輸出功率設(shè)為-107 dBm時(shí),用示波器觀察MAX7032的DATA引腳輸出的波形如圖7所示.可以看出,此時(shí)MAX7032解調(diào)輸出的方波信號(hào)還是很清晰完整的,沒(méi)有過(guò)沖或雜散脈沖.

圖7 MAX7032解調(diào)輸出波形

用誤碼率測(cè)試軟件對(duì)MAX7032解調(diào)輸出的方波信號(hào)進(jìn)行誤碼率測(cè)試,測(cè)試部分結(jié)果如表1所列.

按照誤碼率測(cè)試要求,2 kbps調(diào)制信號(hào)的測(cè)試靈敏度約為-107 dBm,與數(shù)據(jù)手冊(cè)相符,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié)語(yǔ)

本文從方便用戶使用和低成本設(shè)計(jì)的角度出發(fā),提出了一種可實(shí)現(xiàn)用戶自主配置的復(fù)合型TPMS設(shè)計(jì)方案.采用該方案設(shè)計(jì)的TPMS系統(tǒng)使用方便,輪胎傳感器和胎壓接收器匹配不受時(shí)間、地點(diǎn)限制,車主完全可以自主實(shí)現(xiàn)輪胎配對(duì),同時(shí)使用TPMS和RKE射頻共性設(shè)計(jì),通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)多單元互連,簡(jiǎn)化了控制電纜及其走線,對(duì)降低研發(fā)成本促進(jìn)TPMS普及應(yīng)用具有重要意義.