基于MPXY8020A芯片的胎压监控系统设计

　　摘 要： 介绍基于MPXY8020A传感器芯片的轮胎压力监控系统，该系统利用压力/温度传感器芯片MPXY8020A和系统级射频芯片，设计了以处理器rfPIC12f675为模块的设计方案，给出了硬件电路及相关程序框图。该系统符合NHTSA轮胎压力监测装置标准，在交通安全方面有较好的应用前景。

　　关键词： 轮胎压力监控；压力/温度传感器；MPXY8020A；RF发射与接收器

　　自汽车诞生以来的一百多年间，汽车爆胎造成的重大交通事故一直是困扰汽车界的技术难题。尤其在汽车高速行驶过程中，轮胎故障是驾驶者最为担心和最难预防的情况，也是突发性交通事故发生的重要原因。据相关统计资料数据表明，目前我国在高速公路上发生的交通事故有70%～80%是由于轮胎问题引起的，其中将近50%为爆胎事故。所以防止爆胎已经成为车辆安全防范的一个重要课题。根据国家橡胶轮胎质量监测中心的专家分析，保持在正常的轮胎内压力(简称胎压)和胎内温度(简称胎温)下行驶是防止车辆爆胎的关键。轮胎压力监控系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)可实时监控胎内的压力和温度信息，为汽车的安全行驶提供保障。TPMS分为直接式和间接式。间接式TPMS通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，达到监视目的；直接式TPMS是利用安装在每一个轮胎中的压力传感器直接测量轮胎的压力，并显示出来。当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。直接式TPMS较间接式TPMS有更广阔的发展和应用前景。在直接式TPMS的研制方面，以无线传输电子测量为主。
1 轮胎压力监控系统（TPMS）组成
　　TPMS由远程轮胎压力监视模块RTPM(Remote Tire Pressure Monitoring)和中央监视器组成，如图1所示。RTPM模块直接安装在无内胎轮胎钢毂上，测量轮胎压力和温度，并将测量得到的信号通过高频无线电波（RF）发射出去。一个TPMS系统通常有4个或5个（包括备用胎）RTPM模块。中央监视器接收RTPM模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，在异常时报警提醒驾驶者采取必要的措施。

参考文献
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2 硬件电路设计
2.1 RTPM模块
　　RTPM模块由压力/温度传感器、微处理器和RF射频发射电路组成，如图2所示。微处理器进行压力、温度的测量以及RF发射控制和电源管理；RF射频发射电路将检测到的压力、温度数据无线发射出去。

　　压力/温度传感器选择MPXY8020A，该器件是Motorola公司为测量汽车胎压和胎温而设计的高度集成芯片。内嵌压力传感器和温度传感器，能够测量0～637.5 Kpa的胎压和－40 ℃～+125 ℃范围内的胎温，适用于气体介质和一般的胎内环境。芯片共有8个引脚，4种工作模式：待机/复位、压力检测、温度检测和数据输出模式。MPXY8020A没有直接数据输出功能，必须借助外接的MCU完成测量数据输出的任务。在读数据方式下，MCU初始化MPXY8020A为测量压力、温度工作方式之后，利用SPI串行接口，通过逐次逼近程序，将预测值串行送入MPXY8020A的内部DAC，同时检测MPXY8020A的OUT引脚状态，得到逼近的8 bit的压力/温度值。
　　MCU/RF发射芯片选择rfPIC12F675F，其以单片机PIC12F675为内核处理器，集成UHF超高频率ASK/FSK发射器，由PLL锁相环、PA功率放大器等组成。处理器与射频器件之间通过I/O引脚在外部连接。功耗低、外围元件少、SSoP封装小，非常适合RTPM模块使用。采用FSK调制方式时，DATAASK引脚置为高电平。选取C3=13 pF，C4＝1000 pF。当采用13.56 MHz晶振时，发射中心频率约为433.92 MHz，天线采用PCB环状天线。
　　MPXY8020A与rfPIC12F675F以及天线连接如图3所示。

2.2 中央监视器模块
　　中央监视器模块由RF接收电路、微处理器、计算机显示报警装置等组成，如图4所示。RF接收电路接收RTPM模块发射的压力、温度数据信号，识别变换处理后送到计算机显示或报警。设计中选用 Nordic VLSI公司的射频系统级芯片nRF9E5完成这部分功能。nRF9E5内置nRF905(433/868/915 MHz)收发器、8051兼容微控制器和4输入10位AD转换器。同时其内置电压调整模块能最大限度地抑制噪音，并为系统提供1.9 V～3.6 V的工作电压。内置nRF905可工作于433/868/915 MHz ISM频段。nRF905收发器由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO编程进行控制。收发器工作在ShockBurstRX方式时，当收到一个有效地址的射频数据包时，地址匹配寄存器位(AM)和数据准备好寄存器位（DR）通知片内MCU读出数据。图5是基于nRF9E5的中央监视器模块电路原理图，U2为EEPROM（25320），主要为方便调试、修改控制软件；U3(MAX3232)是电平转换芯片，将nRF9E5芯片的CMOS电平转换为计算机的RS-232C标准电平。天线的阻抗以50 Ω设计。

3 系统软件概述
　　TPMS系统的软件主要由2个模块组成，即RTPM子程序和接收通信子程序。RTPM子程序用于检测、处理、发送胎压、温度和轮胎标识信息，接收通信子程序完成数据接收和串行通信。
　　基于处理器rfPIC12f675的特点及RTPM模块的功能，RTPM流程图如图6所示。通常，传感器和射频器件工作于低耗电待机休眠模式，由程序控制其工作状态，实现节电管理。看门狗中断服务程序充分考虑到射频发射的电能损耗，采用了两个判断处理。首先检测相对耗电较低的温度，通过与40 ℃相比较，判断RTPM模块是否已经安装于车内，保证了产品在未安装前基本处于低功耗的待机状态。第二个判断同样是基于低功耗考虑，当前后连续数次（不超过10次）检测的温度和压力值相同时，不启动射频发射器；反之，采样胎温和胎压数据并进行处理后发射。

　　主机PIC16F877A初始化后(包括完成其周围的射频模块和显示模块的初始化)，按时间间隔扫描式轮流向4个轮胎模块发送频率为125 kHz的LF低频信号，轮流将各轮胎模块激活并开启射频接收中断，等待接收各模块发送回来的实时胎压温度数据，进行解码分析，与标准设定的安全压力温度值域比较，判断是否进行报警，并送数据至液晶屏显示。设定合理的时间延时后，循环以上流程分时采集和监视各轮胎模块的压力温度情况。这样就从根本上解决了同频信号干扰碰撞问题，也为节电提供了有效的控制方法。充分考虑到节能和实时监测这两方面的因素，本系统设定间隔200 ms启动一次LF唤醒操作。
　　为了实现4个轮胎模块和中央主机接收模块进行无线通信,必须制定一个通信协议。这里采用曼彻斯特编码、FSK信号调制方式和9 600 b/s的传输速率。轮胎模块以数据帧的形式发送数据，当轮胎模块rfPIC12F675F决定要发送数据时，通过发送数据帧前导位唤醒主机接收模块，随后发送ID、压力、温度、状态、校验及停止位。数据帧的格式如表1所示。

　　(1)前导位：前导位为6 bit，并且总是置成0x3F，分离噪声。
　　(2)设备标识(ID)：SP12提供传感器的序号，有8 bit、16 bit和24 bit选择。在该方案中选择24 bit ID号。接收数据时，首先检查ID，如果发现ID不符，就放弃收到的数据帧。
　　(3)压力值：压力数据8 bit，代表测量的轮胎压力值。由于得到补偿后的压力值并不是真正压力值，所以在中央接收机的控制器中该数据要乘以1.37得到实际的值。
　　(4)温度值：温度数据占8 bit，代表被测量的轮胎温度值。同样，得到补偿后的温度值也不是实际值，而是实际的温度值加上50，所以相应地，在中央主接收机的控制器中，要将接收到的温度值减去50得到正确的温度。
　　(5)状态位：状态位为8 bit，第7到第4位分别为左前轮、右前轮、左后轮、右后轮。
　　(6)校验和：校验和为8 bit。它的内容取决于传输数据，主要是为了提高传输数据的可靠性。校验和产生的方法是：发送时，对所有数据求异或结果取反作为校验和；接收时，对所有数据连同校验和求异或求反，结果为0表示正确，否则表示通信错误，应丢弃该数据帧。
　　(7)停止位：停止位为2 bit，用来指示数据帧的结束。
　　本文提出了一种低功耗的TPMS方案，硬件上高度集成的射频系统级芯片，可降低系统功耗，工作于待机模式的传感器芯片增强了系统的模式化管理功能，为软件的低功耗管理提供了硬件支持。软件上RTPM子程序采用看门狗中断唤醒模式以及对非工作环境和连续数次检测数据相同等情况的判断处理，使得功耗相对较大的传感器和射频器件通常处于休眠状态，仅工作于毫秒级时间内，有效降低了系统功耗，同时保证了电池使用年限。