一種低功耗TPMS接收器的設計

史衛(wèi)華，柯 焱，周 敏

（上海保隆汽車科技股份有限公司，上海 201619）

輪胎壓力監(jiān)測系統因其安全性和經濟性，如今已經越來越受到市場和用戶的關注，國內外整車廠紛紛將其作為整車標配。然而由于整車對熄火以后的暗電流消耗有嚴格限制，這就對熄火以后仍需監(jiān)控胎壓的TPMS接收器的電流消耗提出了苛刻要求。

基于整車廠的要求，本文采用Freescale的S9S12G128單片機和MC33596的射頻接收芯片實現車輛熄火模式下的TPMS接收器仍可監(jiān)控胎壓，且滿足暗電流要求。

1 接收器的主要電路組成

接收器主要是接收到無線信息，進行處理后，通過CAN總線將胎壓數據發(fā)送給儀表進行顯示，它由電源模塊、射頻接收模塊、MCU、CAN通信以及存儲模塊組成。電路組成如圖1所示。

1.1 電源模塊

電源模塊負責將車載電源轉換成各模塊正常工作的電壓。Infineon公司的TLE42994線性穩(wěn)壓器，其輸入電壓最大可達45 V，輸出5 V，帶載能力為150mA，且具有短路保護、電流限制、超溫關機等功能。另外，其特別適用于需要在發(fā)動機斷開后的汽車應用，自身內部消耗電流極低，在帶載10 mA的情況下，內部消耗只有0.17mA，見表1。

表1 TLE42994自身電流消耗

1.2 射頻接收模塊

射頻接收模塊負責對胎壓傳感器傳送的高頻信號進行解碼，然后將數據傳輸給中央處理器MCU。MC33596是Freescale公司一款適合低電壓應用的高度集成的接收芯片，將接收到的數據解調后通過串行同步接口 （SPI）總線發(fā)送到MCU，它支持FSK調制的Manchester編碼數據解碼。在2400Band時的RF接收靈敏度為-108 dBm。可通過自帶的SPI接口對MC33596配置，在運行模式下電流的典型值為9.2mA。可通過選通震蕩器的設置，實現自動快速喚醒功能，在strobe ratio=1／10時，接收模式功耗小于1mA。

1.3 控制芯片

控制芯片負責接收射頻接收電路傳輸過來的數據，進行分析處理后，根據車輛的工況，選擇是否通過CAN總線傳送給車輛顯示系統。控制芯片內部自帶的EEPROM用于存儲傳感器的ID等標定信息。本系統控制芯片選擇Freescale的16位單片機S9S12G128， 128 K的Flash、4 K的EEPROM、 8 K的RAM，同時自帶CAN控制器以及SPI、SCI等通信接口。電流消耗在Full stop模式時為200μA。

1.4 CAN通信

CAN總線用于和儀表、BCM以及診斷工具通信，為了降低熄火狀態(tài)的功耗，選擇可總線喚醒的低功耗高速CAN收發(fā)器TJA1042。該收發(fā)器專為汽車行業(yè)的高速CAN應用設計，傳輸速率高達1Mbit／s，具有如下特性：①收發(fā)器在斷電或處于低功耗模式時，在總線上不可見；②極低功耗的待機模式，可通過總線喚醒。正常工作模式電流消耗5mA，待機電流消耗為10μA。

2 軟件設計

接收器的軟件主要有3部分功能，分別是：數據處理、功耗管理以及CAN通信。數據處理和CAN通信較為成熟，功耗管理則是系統的關鍵。

2.1 功耗管理的程序設計

電源接通后，初始化外設，并檢測ACC_check的電平，低則斷開外部IRQ中斷使能，進入正常模式，監(jiān)聽傳感器的數據并通過CAN總線發(fā)送給顯示設備。如果ACC_check電平為高，則表示車輛熄火，保存好當前的信息后，斷開所有外設，并將接收芯片設置為內部strobe控制模式。最后接通外部IRQ中斷使能，控制芯片自己進入Stop模式，系統進入低功耗休眠模式。功耗管理軟件流程如圖2所示。

當有IRQ中斷產生后，系統接通外設，并進入正常工作狀態(tài)。在主循環(huán)中，再次檢測ACC狀態(tài)，并作出是否進入低功耗休眠模式的響應。

2.2 MC33596的ON／OFF配置

為了保證在低功耗模式下依然可靠接收胎壓傳感器發(fā)出的信號，MC33596提供了一個間隔接通接收的數據接收模式，即ON／OFF模式。通過配置其內部寄存器 （SOE=1），使能內部的strobe oscillator。配置RXONOFF寄存器，控制接收斷開時間 （off time）和接通時間 （on time）占比。計算公式如下：ONtime=RON［3：0］×512×Td， OFFtime=（ROFF［2：0］+1／2） ×Ts， Ts=106×C21， RON 和 ROFF 是 寄 存 器RXONOFF定義。占比的選擇，直接關系到信號接收效果以及電流消耗。

該項目工作頻率為433 MHz，參數計算如下：Td=1.65μs； C21采用1nF的電容： Ts=1ms。

3 硬件電路設計

3.1 系統電路

控制芯片通過檢測車輛點火狀態(tài)，進行判定正常工作還是低功耗工作。正常工作時，控制芯片將外部中斷源斷開，同時將CAN通信、接收電路全部配置為正常模式。低功耗工作時，控制芯片將CAN通信、接收電路配置為低功耗模式，接通外部中斷源，自身進入Stop模式。系統電路原理圖如圖3所示。

3.2 外部中斷檢測電路

接收器有2個外部中斷源，即負責檢測車輛的鑰匙位置的點火檢測電路和負責低功耗模式下的接收信號喚醒檢測電路。正常工作時，鑰匙處于非OFF位置，點火檢測電路輸入端ACC為12 V，光耦U4導通，控制芯片外部中斷Wake為低電平，且ACC_check也為低電平。控制器控制所有外圍設備處于正常工作模式，斷開接收信號喚醒外部中斷使能電路。當鑰匙處于OFF檔時，檢測電路的輸入端為0V，光耦處于關斷狀態(tài)，控制芯片外部中斷檢測I／O口Wake為高電平，接收器軟件處理，將所有外圍設備均置于低功耗模式，接通接收芯片信號接收的喚醒使能電路。之后控制芯片進入Stop模式，等待外部中斷喚醒，整個接收器處于低功耗模式。

外部中斷除了ACC喚醒之外，還可以通過來自接收電路的SCLK進行喚醒，一旦有數據，那么SCLK電平變化，導致控制器喚醒處理數據，處理完數據后，控制器根據ACC_check的電平高低進行模式轉換，如果為高，則為正常模式，否則，為低功耗模式。

3.3 接收電路

RF接收電路由MC33596負責，正常工作時，控制芯片控制STROBE引腳，使得MC33596一直工作在Receive模式，并且斷開Wake中斷使能，使得SCLK的電平變化不產生中斷。進入低功耗模式后，MC33596利用STROBE引腳的電容自振蕩，工作在ON／OFF的Receive模式，并且一旦接受到數據后，SCLK輸出的電平跳變引起控制芯片的外部中斷，喚醒控制芯片處理接收到的數據。通過改變STORBE引腳的電容C21的參數，可以改變ON／OFF的時間。

4 試驗數據

在實際項目開展中，根據不同的MC33596的ON／OFF配置，以及調整電路的參數，發(fā)現在不影響接收效果的前提下，實際電流測試數據如表2和表3所示。

表2 固定OFF值調節(jié)ON值的電流消耗

表3 固定ON值調節(jié)OFF值的電流消耗

從表中可以看出，實際效果可以達到1.15mA，低于項目3mA的要求。

5 結論

經過理論分析和實際項目軟硬件測試，TPMS控制器在低功耗模式下電流低于車廠的3 mA要求，使得胎壓的全天候監(jiān)測應用成為可行，目前已經成功應用于東風新一代SUV車型。

［1］黃智偉．單片無線發(fā)射與接收電路設計［M］．西安：西安電子科技大學出版社，2009．

［2］孫同景．Freescale 9S12十六位單片機原理及嵌入式開發(fā)技術［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2008．

［3］李文印，周斌，佟志臣．輪胎壓力監(jiān)測系統設計及實現［J］．汽車技術， 2004 （2）： 23-27．