摘  要: 介绍了直接式TPMS（Tire Pressure Monitoring System）的基本结构和工作原理，设计了基于SP12、TDK5110和TDA5220的TPMS系统，实现了对轮胎状况的实时监控，有效地降低了发射系统" title="发射系统">发射系统功耗，提高了系统的可靠性。

    关键词： TPMS  SP12  低功耗" title="低功耗">低功耗  实时监测

    每年由爆胎引起的交通事故在所有的交通事故中占有很大的比重。随着人们对生命安全重视程度的提高，监测汽车轮胎压力就成为汽车安全的一个重要课题。轮胎压力监视系统TPMS（Tire Pressure Monitoring System）主要用于对汽车轮胎压力的监视，对气压过高或者过低进行报警，从而保障行车安全。TPMS系统按工作原理又可以分成两类：直接式系统和间接式系统。后者通常是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，或者通过轮胎周长变化来发现轮胎气压的变化，以达到监视胎压的目的。间接式系统由于借用了ABS系统，只需要加上电脑监控设备就可以进行检测，因而成本较低。但是，该类型系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100km/h的情况进行判断，不利于掌握轮胎的准确情况^[1]。本文介绍的是直接式系统：在每个轮胎都装上传感器，在驾驶台面板上显示当前轮胎压力、温度等数据，测量精度高。由于TPMS发射模块" title="发射模块">发射模块安装在轮胎内，必须采用电池供电，因此降低发射系统的功耗成为本研究中的一个关键技术。本文通过合理的器件选择和软、硬件方案，实现了低功耗、高可靠性的设计。
1 TPMS的系统结构和工作原理
    TPMS系统由两个部分组成，一部分是安装在轮毂上的监测发射模块，由传感器、MCU、RF发射芯片、电池和天线组成；另一部分是安装在驾驶室内的中央控制模块，由接收天线、RF接收芯片、MCU和人机界面构成。其系统结构如图1所示。MCU通过SPI总线获取传感器检测到的压力、温度等数据，用异步串行方式送至RF芯片，同时输出一个ENABLE信号启动RF芯片，将数据发射给接收模块" title="接收模块">接收模块。接收模块显示测量数据，并判断数据是否超出阈值，以决定是否发出报警信号。

                          
2 TPMS系统硬件设计
2.1 TPMS传感器
    本设计采用英飞凌公司生产的SP12^[2]芯片，它具有气压测量、温度测量、加速度测量功能和电源电压检测功能，能够自动补偿测量数据；采用SPI总线输出；内置时钟电路，能周期性输出定时唤醒信号和复位信号。这些功能不仅能实现对轮胎压力和温度的检测，还可以实现汽车启动时开机，定时唤醒，电池欠压报警等功能，达到省电并且保障安全的目的^[3]。
2.2 发射模块设计
    发射模块由SP12、PIC16F630和TDK5110组成，如图2所示。PIC16F630是由Microchip公司生产的汽车级" title="汽车级">汽车级的MCU，工作温度-40℃～+125℃；采用TSSOP封装，体积小；宽电源电压范围(2V～5.5V)，使用灵活。TDK5110是Infineon公司生产的汽车级的UHF发射芯片，有ASK和FSK两种工作模式；完全集成PLL频率合成电路，频率稳定性好；采用TSSOP封装，体积小；功耗极小：低功耗模式下，电源电压3V，温度25℃时消耗电流仅约0.3nA。

                        
    为了降低发射模块功耗，MCU采用定时唤醒的工作方式，定时信号由SP12提供。MCU采取内置RC振荡模式，以降低功耗和电磁干扰，同时因为RC振荡模式的起振时间短，有利于降低系统功耗。鉴于RC振荡的精度不高，频率不够稳定，对MCU与RF芯片的通讯同步有较大影响，而TDK5110有一个稳定的时钟输出，频率为847.5kHz，可以用该时钟信号提供准确的发送波特率。考虑到FSK方式的抗干扰能力更强，RF发射方式选择FSK方式。TDK5110内置FSK开关，由7脚FSKDTA控制(FSKDTA为高电平时，开关断开，输出高频移；FSKDTA为低电平时，开关闭合，输出低频移），从而实现FSK调制方式。设计中选择电池的依据是体积小，容量大，输出电压稳定。锂亚电池的比容量是所有电池中最高的，而且90%以上的电量可以在稳定的工作电压上输出，适应温度范围很宽，自放电极小，保质期可长达10年，因而非常适合TPMS的工作需要。
2.3 接收模块设计
    接收模块由RF接收器TDA5220、MCU PIC16F877A[4]以及人机界面和报警电路组成，如图3所示。

                        
    PIC16F877A是一款功能强大的8位单片机，具有汽车级温度范围，片内集成了256B的E2PROM，8KB的Flash ROM，368B的RAM；内置看门狗电路；14个中断源；除了通用串口还提供SPI和I²C总线接口；驱动能力强；端口资源丰富。PIC16F877A不仅能完成TPMS的功能，而且也有足够的能力胜任将来对系统可能的升级。TDA5220是Infineon公司生产的汽车级UHF接收芯片，完全集成PLL频率合成电路；工作频率有400MHz~440MHz、810MHz~870MHz两种范围；可工作于ASK和FSK方式；接收灵敏度较高，ASK方式小于-107dBm，FSK方式小于-100dBm。
    RF芯片与单片机采用异步串行方式通讯。TDA5220将接收到的数据送到PIC16F877A的同步/异步串行输入端，单片机将数据送到LCD和报警控制电路。在更换轮胎时，通过键盘可以打开接收模块的换胎模式，删除坏胎的ID，接收新胎的ID，实现对新轮胎ID和位置的识别。
3 系统软件设计
3.1发射模块工作流程
    SP12的WAKE UP引脚输出定时信号，周期为6s，送至MCU的外部中断输入端，将MCU从睡眠状态唤醒。MCU首先检测加速度。考虑到汽车在行驶中很难保持加速度不变，而校正后的加速度数据不一定很准确，因而采用这样的方法判断汽车是否在运动：若前后两次检测到的加速度值相等，则认为汽车处于停止状态，MCU转入睡眠状态。否则，MCU将检测数据用异步串行方式送RF发射芯片。若数据正常，则每十次测量发送一次数据以节省电能；若数据超出正常范围，则立即发送且发送多次，以提高发送的可靠性。发射程序流程如图4所示。

                        
3.2 接收模块工作流程
    MCU将TDA5220传来的数据做CRC校验，然后判断是哪个轮胎发来的数据，若不是来自本车则丢弃数据。若温度、压力和电池电压数据超出正常值范围，蜂鸣器发出报警声，LCD闪烁，直至险情排除。接收程序流程如图5所示。

                         
3.3 换胎模式
    换上新胎后，通过按键中断开启换胎模式：删除存储器中坏胎的ID，确认并记录新胎的ID号和安装的位置。由于系统接收到的信号不一定来自本车，因此需要对所有接收到的信号进行筛选。将MCU在一段时间内接收到的ID存入临时存储区，与存储器中本车轮胎的ID逐个比较，判断接收到的ID是不是来自本车。如果不是，则将临时存储区中出现次数最多的ID作为新轮胎的ID，把本车始终未收到信号的轮胎判为坏胎，删除其ID，保留位置信息，存入Flash ROM。通过LCD和蜂鸣器发出信号，提示ID更换完成。换胎模式软件流程如图6所示。

                            
    鉴于发射系统无法更换电池，降低发射系统功耗就显得至关重要。本方案通过加速度唤醒技术、减少不必要的信号发射次数、选择合理的单片机振荡方式降低了发射系统的功耗；通过对发射数据的编码和校验提高了收发过程的抗干扰性能；通过异常数据多次发送提高了系统的安全性。经试验测量，该系统对气压的检测误差不超过±4psi，对温度的检测误差不超过±2℃，有效通信距离大于10m，能够满足轿车和其他中小型车辆的需求。TPMS是行车安全的重要保障，随着人们对生命安全重视的深入，TPMS开始成为汽车的标准配置，欧美已经通过立法，强制新车出厂前安装TPMS系统，市场前景广阔。本设计方案，较好地解决了系统低功耗、高可靠性的问题，符合美国国家公路交通安全管理局制定的基本标准^[5]，具有产品化的前景。
参考文献
[1]  彭锴，丁国清．轮胎智能检测系统的研究[J]．微计算机信息，2005，21(4)：82-83．
[2]  Infineon Corp．SP12 tire pressure sensor， specification[EB/OL]．http://www.infineon.com
[3]  颜重光． TPMS的设计方案思考[J]．电子质量,2005，(7)：6-9．
[4]  李学海．PIC单片机实用教程[M]．北京．北京航空航天大学出版社,2002.
[5]  National Highway Traffic Safety Administration．Tire pressure monitoring final rule[DB/OL]．www.nhtsa.dot.gov