基于智能傳感器MPXY8320A的TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖文,凌玉華,廖力清

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410083)

肖文(碩士),研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。

1 TPMS系統(tǒng)的發(fā)展歷史和趨勢(shì)

1.1 TPMS系統(tǒng)的發(fā)展歷史

國(guó)際市場(chǎng),1997年,通用汽車公司開(kāi)始使用間接式汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng) TPMS(Tire Pressure Monitoring System);2000年5月,直接式TPMS在美國(guó)上市;2002年發(fā)布的世界新車資料中顯示,美國(guó)福特公司的林肯大陸、戴姆勒-克萊斯勒公司今年夏天上市的道奇(Dodge)迷你廂型車及Chrysler300M等系列車型,都將裝設(shè)直接式TPMS。許多歐洲的汽車廠商也已將直接式TPMS配裝于自己的中高檔車型之中,其中包括寶馬公司的Z8、歐寶2002年版威達(dá)、雪鐵龍公司的C5,阿斯頓·馬汀公司的超級(jí)跑車Vanquish、旁蒂克的旗艦Bon nevilleSE等等。國(guó)內(nèi)汽車制造巨頭也已開(kāi)始考慮將TPMS作為原廠裝備的標(biāo)準(zhǔn)配置。2003年5月,日本ALPS電氣公司從德國(guó)IQMobil GmbH獲得了不使用電池的TPMS技術(shù),并簽訂了獨(dú)家專利授權(quán)合同。借用該技術(shù)開(kāi)發(fā)的TPMS己通過(guò)歐洲和美國(guó)的電波法認(rèn)證試驗(yàn),并于2004年6月起提供工業(yè)樣品,2005年量產(chǎn)供貨[1]。我國(guó)也在2000年前后通過(guò)引進(jìn)技術(shù)的方式開(kāi)始了TPMS的生產(chǎn)。

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

直接式TPMS和間接式TPMS各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。直接式TPMS可以隨時(shí)測(cè)定每個(gè)輪胎內(nèi)部的當(dāng)前壓力,很容易確定故障輪胎。間接式TPMS相對(duì)便宜,使用間接系統(tǒng),己經(jīng)裝備了4輪ABS(每個(gè)輪胎裝備1個(gè)輪速傳感器)的汽車只需對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)[2];但是,目前這類系統(tǒng)沒(méi)有直接系統(tǒng)準(zhǔn)確率高,無(wú)法監(jiān)測(cè)出多個(gè)輪胎同時(shí)缺壓或高壓的情況。顯而易見(jiàn),直接式 TPMS更有效,因此,目前直接式TPMS正逐步取代間接式TPMS而成為輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主流。但是,有源 MEMS式 TPMS傳感器/發(fā)射器需要電池提供動(dòng)力,因此不可避免地帶來(lái)一些弊端,如電池的壽命有限和電池的存在很難降低發(fā)射器的重量等。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,無(wú)源MEMS式TPMS以其無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)將成為未來(lái)TPMS發(fā)展的趨勢(shì)[3]。

2 無(wú)源化

如果胎內(nèi)模塊可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源(即無(wú)電池),則上述問(wèn)題都可以迎刃而解。為達(dá)到以上目的,下面主要闡述TPMS無(wú)線無(wú)源化發(fā)展的幾個(gè)實(shí)現(xiàn)方案:

①輪胎內(nèi)模塊有發(fā)電裝置,將輪胎運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。此為壓電發(fā)電方案。

②從輪胎外通過(guò)電磁場(chǎng)傳入能量,驅(qū)動(dòng)輪胎內(nèi)模塊工作,發(fā)射壓力信息。此為磁場(chǎng)電磁耦合方案。

③輪胎外發(fā)射電磁波,碰到輪胎內(nèi)模塊內(nèi)置器件后反射,同時(shí)攜帶回壓力信息。此為聲表面波無(wú)源無(wú)線傳感器方案[4]。

3 外置編碼存儲(chǔ)器輪胎定位

外置編碼存儲(chǔ)器輪胎定位技術(shù)是一種新型的TPMS輪胎定位技術(shù)。采用外置編碼存儲(chǔ)器的TPMS同樣由發(fā)射檢測(cè)模塊和接收顯示模塊組成,其特征在于接收顯示模塊接有插入式編碼存儲(chǔ)器,每個(gè)發(fā)射檢測(cè)模塊均有一個(gè)固定的ID碼,與對(duì)應(yīng)編碼存儲(chǔ)器的ID碼一致。輪胎換位或者更換時(shí),只需調(diào)換或更換插入式編碼存儲(chǔ)器。外置編碼存儲(chǔ)器式輪胎定位技術(shù),通過(guò)調(diào)整顯示模塊編碼存儲(chǔ)器中的ID碼與每個(gè)發(fā)射檢測(cè)模塊中的ID碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系,將重新識(shí)別身份的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成ID碼的換位設(shè)置問(wèn)題,是簡(jiǎn)單、有效的解決方案。其插頭插入的操作方式簡(jiǎn)單可靠。通過(guò)I/O讀入插入式編碼存儲(chǔ)器電路中的編碼,避免了用無(wú)線方式讀入ID編碼,從根本上解決了干擾的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 外置編碼存儲(chǔ)器原理框圖

系統(tǒng)在工作時(shí),中央接收、處理模塊先依次讀取外置編碼存儲(chǔ)器中的ID碼,然后重新設(shè)置存儲(chǔ)在接收顯示模塊存儲(chǔ)器中的ID碼與輪胎對(duì)應(yīng)定位關(guān)系信息,并予以保存。一旦中央模塊接收到輪胎檢測(cè)模塊發(fā)射過(guò)來(lái)的信息,馬上將接收到的信息解碼。在獲取其中的ID碼后,根據(jù)前面設(shè)定的ID對(duì)應(yīng)定位關(guān)系信息即可判斷出是來(lái)自哪一個(gè)輪胎中的發(fā)射檢測(cè)模塊,并執(zhí)行相應(yīng)的顯示等動(dòng)作。外置編碼存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)可以分為接口電路和ID存儲(chǔ)器兩部分:接口電路作為外置存儲(chǔ)器和主控制器的連接接口,根據(jù)汽車的應(yīng)用環(huán)境,要考慮接口的可靠性、抗震性需要;存儲(chǔ)器可以采用移位存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)單、需要主控制器I/O口少、讀取速度稍慢)、矩陣存儲(chǔ)器(讀取速度快、占用主控制器I/O口多)或者SIM 卡和IC卡(可靠性高、體積小、成本高)的形式。綜合考慮,本系統(tǒng)采用移位存儲(chǔ)器。工作流程為:每當(dāng)安裝新輪胎或者輪胎換位,立即切換到ID讀入操作界面,將相應(yīng)外置編碼存儲(chǔ)器插上讀取接口,進(jìn)行ID的讀入工作并分配其所屬輪胎位置。讀取完畢,可以取下外置存儲(chǔ)器(卡)[5]。

4 TPMS系統(tǒng)

4.1 基本原理

由安裝在輪胎內(nèi)部的檢測(cè)模塊,實(shí)時(shí)測(cè)量胎內(nèi)壓力、溫度,并將壓力、溫度信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送出去。安裝在駕駛室內(nèi)的主控模塊接收無(wú)線信號(hào),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,再由顯示裝置顯示出測(cè)量結(jié)果,實(shí)現(xiàn)行駛過(guò)程中輪胎狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。TPMS基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2 硬件設(shè)計(jì)方案

主控制器電路原理如圖3所示。主控制器模塊采用穩(wěn)定、可靠的微控制器C8051F531A,其內(nèi)置振蕩電路和增強(qiáng)型的SPI接口,外擴(kuò)SPI無(wú)線接收芯片MC33594和操作簡(jiǎn)單、方便的并行液晶模塊。

圖2 TPMS基本結(jié)構(gòu)框圖

圖3 主控制器電路原理圖

檢測(cè)模塊由胎壓測(cè)量專用高集成芯片MPXY8320A微控制器和電源組成,檢測(cè)模塊電路原理如圖4所示。MPXY8320A工作在DC 2.1～3.6 V,具有低功耗的效能以延長(zhǎng)電池壽命。MPXY8320A最大的特點(diǎn)是,其內(nèi)部集成了8位MCU、適應(yīng)載重型輪胎的壓力傳感器、溫度傳感器、供電電源電壓監(jiān)測(cè)、X-Z軸上的加速度傳感器以及RF發(fā)送模塊,所以MPXY8320A是一款專為交通工具胎壓測(cè)量而設(shè)計(jì)的高集成芯片。由于器件的高集成度,在體積上、功耗上、電磁兼容性方面都有很出色的表現(xiàn)。

圖4 檢測(cè)模塊電路原理

5 軟件設(shè)計(jì)方案

主要軟件模塊的程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程

[1]游戰(zhàn)清.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[2]李文印,周斌,傅志臣.輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].汽車技術(shù),2004(2):23-27.

[3]李滿長(zhǎng).采取防控措施避免爆胎事故發(fā)生——TPMS的發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車與配件,2006(9):35.

[4]徐連強(qiáng).TPMS無(wú)源供應(yīng)模式研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2008(6):48.

[5]李威,尹術(shù)飛.TPMS外置編碼存儲(chǔ)器式輪胎定位技術(shù)的電路實(shí)現(xiàn)[J].汽車電子,2006(9):86-88.

[6]飛思卡爾半導(dǎo)體公司.MPXY8300產(chǎn)品規(guī)范.