摘 要： 介紹基于MPXY8020A傳感器芯片的輪胎壓力監控系統，該系統利用壓力/溫度傳感器芯片MPXY8020A和系統級射頻芯片，設計了以處理器rfPIC12f675為模塊的設計方案，給出了硬件電路及相關程序框圖。該系統符合NHTSA輪胎壓力監測裝置標準，在交通安全方面有較好的應用前景。

　　關鍵詞： 輪胎壓力監控；壓力/溫度傳感器；MPXY8020A；RF發射與接收器

　　自汽車誕生以來的一百多年間，汽車爆胎造成的重大交通事故一直是困擾汽車界的技術難題。尤其在汽車高速行駛過程中，輪胎故障是駕駛者最為擔心和最難預防的情況，也是突發性交通事故發生的重要原因。據相關統計資料數據表明，目前我國在高速公路上發生的交通事故有70%～80%是由于輪胎問題引起的，其中將近50%為爆胎事故。所以防止爆胎已經成為車輛安全防范的一個重要課題。根據國家橡膠輪胎質量監測中心的專家分析，保持在正常的輪胎內壓力(簡稱胎壓)和胎內溫度(簡稱胎溫)下行駛是防止車輛爆胎的關鍵。輪胎壓力監控系統TPMS(Tire Pressure Monitoring System)可實時監控胎內的壓力和溫度信息，為汽車的安全行駛提供保障。TPMS分為直接式和間接式。間接式TPMS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，達到監視目的；直接式TPMS是利用安裝在每一個輪胎中的壓力傳感器直接測量輪胎的壓力，并顯示出來。當輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統會自動報警。直接式TPMS較間接式TPMS有更廣闊的發展和應用前景。在直接式TPMS的研制方面，以無線傳輸電子測量為主。
1 輪胎壓力監控系統（TPMS）組成
　　TPMS由遠程輪胎壓力監視模塊RTPM(Remote Tire Pressure Monitoring)和中央監視器組成，如圖1所示。RTPM模塊直接安裝在無內胎輪胎鋼轂上，測量輪胎壓力和溫度，并將測量得到的信號通過高頻無線電波（RF）發射出去。一個TPMS系統通常有4個或5個（包括備用胎）RTPM模塊。中央監視器接收RTPM模塊發射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數據顯示在屏幕上，在異常時報警提醒駕駛者采取必要的措施。

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2 硬件電路設計
2.1 RTPM模塊
　　RTPM模塊由壓力/溫度傳感器、微處理器和RF射頻發射電路組成，如圖2所示。微處理器進行壓力、溫度的測量以及RF發射控制和電源管理；RF射頻發射電路將檢測到的壓力、溫度數據無線發射出去。

　　壓力/溫度傳感器選擇MPXY8020A，該器件是Motorola公司為測量汽車胎壓和胎溫而設計的高度集成芯片。內嵌壓力傳感器和溫度傳感器，能夠測量0～637.5 Kpa的胎壓和－40 ℃～+125 ℃范圍內的胎溫，適用于氣體介質和一般的胎內環境。芯片共有8個引腳，4種工作模式：待機/復位、壓力檢測、溫度檢測和數據輸出模式。MPXY8020A沒有直接數據輸出功能，必須借助外接的MCU完成測量數據輸出的任務。在讀數據方式下，MCU初始化MPXY8020A為測量壓力、溫度工作方式之后，利用SPI串行接口，通過逐次逼近程序，將預測值串行送入MPXY8020A的內部DAC，同時檢測MPXY8020A的OUT引腳狀態，得到逼近的8 bit的壓力/溫度值。
　　MCU/RF發射芯片選擇rfPIC12F675F，其以單片機PIC12F675為內核處理器，集成UHF超高頻率ASK/FSK發射器，由PLL鎖相環、PA功率放大器等組成。處理器與射頻器件之間通過I/O引腳在外部連接。功耗低、外圍元件少、SSoP封裝小，非常適合RTPM模塊使用。采用FSK調制方式時，DATAASK引腳置為高電平。選取C3=13 pF，C4＝1000 pF。當采用13.56 MHz晶振時，發射中心頻率約為433.92 MHz，天線采用PCB環狀天線。
　　MPXY8020A與rfPIC12F675F以及天線連接如圖3所示。

2.2 中央監視器模塊
　　中央監視器模塊由RF接收電路、微處理器、計算機顯示報警裝置等組成，如圖4所示。RF接收電路接收RTPM模塊發射的壓力、溫度數據信號，識別變換處理后送到計算機顯示或報警。設計中選用 Nordic VLSI公司的射頻系統級芯片nRF9E5完成這部分功能。nRF9E5內置nRF905(433/868/915 MHz)收發器、8051兼容微控制器和4輸入10位AD轉換器。同時其內置電壓調整模塊能最大限度地抑制噪音，并為系統提供1.9 V～3.6 V的工作電壓。內置nRF905可工作于433/868/915 MHz ISM頻段。nRF905收發器由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，輸出功率、頻道和其他射頻參數可通過對特殊功能寄存器RADIO編程進行控制。收發器工作在ShockBurstRX方式時，當收到一個有效地址的射頻數據包時，地址匹配寄存器位(AM)和數據準備好寄存器位（DR）通知片內MCU讀出數據。圖5是基于nRF9E5的中央監視器模塊電路原理圖，U2為EEPROM（25320），主要為方便調試、修改控制軟件；U3(MAX3232)是電平轉換芯片，將nRF9E5芯片的CMOS電平轉換為計算機的RS-232C標準電平。天線的阻抗以50 Ω設計。

3 系統軟件概述
　　TPMS系統的軟件主要由2個模塊組成，即RTPM子程序和接收通信子程序。RTPM子程序用于檢測、處理、發送胎壓、溫度和輪胎標識信息，接收通信子程序完成數據接收和串行通信。
　　基于處理器rfPIC12f675的特點及RTPM模塊的功能，RTPM流程圖如圖6所示。通常，傳感器和射頻器件工作于低耗電待機休眠模式，由程序控制其工作狀態，實現節電管理。看門狗中斷服務程序充分考慮到射頻發射的電能損耗，采用了兩個判斷處理。首先檢測相對耗電較低的溫度，通過與40 ℃相比較，判斷RTPM模塊是否已經安裝于車內，保證了產品在未安裝前基本處于低功耗的待機狀態。第二個判斷同樣是基于低功耗考慮，當前后連續數次（不超過10次）檢測的溫度和壓力值相同時，不啟動射頻發射器；反之，采樣胎溫和胎壓數據并進行處理后發射。

　　主機PIC16F877A初始化后(包括完成其周圍的射頻模塊和顯示模塊的初始化)，按時間間隔掃描式輪流向4個輪胎模塊發送頻率為125 kHz的LF低頻信號，輪流將各輪胎模塊激活并開啟射頻接收中斷，等待接收各模塊發送回來的實時胎壓溫度數據，進行解碼分析，與標準設定的安全壓力溫度值域比較，判斷是否進行報警，并送數據至液晶屏顯示。設定合理的時間延時后，循環以上流程分時采集和監視各輪胎模塊的壓力溫度情況。這樣就從根本上解決了同頻信號干擾碰撞問題，也為節電提供了有效的控制方法。充分考慮到節能和實時監測這兩方面的因素，本系統設定間隔200 ms啟動一次LF喚醒操作。
　　為了實現4個輪胎模塊和中央主機接收模塊進行無線通信,必須制定一個通信協議。這里采用曼徹斯特編碼、FSK信號調制方式和9 600 b/s的傳輸速率。輪胎模塊以數據幀的形式發送數據，當輪胎模塊rfPIC12F675F決定要發送數據時，通過發送數據幀前導位喚醒主機接收模塊，隨后發送ID、壓力、溫度、狀態、校驗及停止位。數據幀的格式如表1所示。

　　(1)前導位：前導位為6 bit，并且總是置成0x3F，分離噪聲。
　　(2)設備標識(ID)：SP12提供傳感器的序號，有8 bit、16 bit和24 bit選擇。在該方案中選擇24 bit ID號。接收數據時，首先檢查ID，如果發現ID不符，就放棄收到的數據幀。
　　(3)壓力值：壓力數據8 bit，代表測量的輪胎壓力值。由于得到補償后的壓力值并不是真正壓力值，所以在中央接收機的控制器中該數據要乘以1.37得到實際的值。
　　(4)溫度值：溫度數據占8 bit，代表被測量的輪胎溫度值。同樣，得到補償后的溫度值也不是實際值，而是實際的溫度值加上50，所以相應地，在中央主接收機的控制器中，要將接收到的溫度值減去50得到正確的溫度。
　　(5)狀態位：狀態位為8 bit，第7到第4位分別為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪。
　　(6)校驗和：校驗和為8 bit。它的內容取決于傳輸數據，主要是為了提高傳輸數據的可靠性。校驗和產生的方法是：發送時，對所有數據求異或結果取反作為校驗和；接收時，對所有數據連同校驗和求異或求反，結果為0表示正確，否則表示通信錯誤，應丟棄該數據幀。
　　(7)停止位：停止位為2 bit，用來指示數據幀的結束。
　　本文提出了一種低功耗的TPMS方案，硬件上高度集成的射頻系統級芯片，可降低系統功耗，工作于待機模式的傳感器芯片增強了系統的模式化管理功能，為軟件的低功耗管理提供了硬件支持。軟件上RTPM子程序采用看門狗中斷喚醒模式以及對非工作環境和連續數次檢測數據相同等情況的判斷處理，使得功耗相對較大的傳感器和射頻器件通常處于休眠狀態，僅工作于毫秒級時間內，有效降低了系統功耗，同時保證了電池使用年限。