引 言
　　新世紀(jì)伊始,由于凡世通輪胎(Fire-tone)的質(zhì)量問(wèn)題,大量的爆胎和翻車事故造成了超過(guò)100人的死亡和400人的受傷,引起了汽車行業(yè)和美國(guó)政府的關(guān)注。大量數(shù)據(jù)表明,對(duì)輪胎正確充氣會(huì)大大降低爆胎的可能性。為了解決這個(gè)問(wèn)題,輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)的研究開(kāi)始受到重視。汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)主要用于汽車行駛時(shí)對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè),對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警,以保障行車安全。目前最流行的PSBTPMS系統(tǒng)(又稱直接系統(tǒng)),是利用安裝在每一個(gè)輪胎里的壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎氣壓的,并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)視。當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。就TPMS系統(tǒng)構(gòu)造而言,其采集的溫度壓力數(shù)據(jù)需要通過(guò)一種無(wú)線方式進(jìn)行發(fā)送和接收,而且該收發(fā)電路要安裝在輪胎里。這就必須要求其組成電路的芯片能夠耐高溫。要解決這兩個(gè)問(wèn)題,可以利用Motorola公司研制的發(fā)射芯片MC33493和接收芯片MC33594。該兩款芯片都達(dá)到了汽車級(jí)溫度(發(fā)射芯片為125℃,接收芯片為105℃)完全可以解決耐高溫的問(wèn)題,且工作性能極好。它們與單片機(jī)一起構(gòu)成的接口電路成為TPMS系統(tǒng)中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾�組成部分。

1 TPMS系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1系統(tǒng)工作原理
　　TPMS系統(tǒng)主要由安裝在汽車輪胎內(nèi)的壓力、溫度傳感器,信號(hào)處理單元、RF發(fā)射器組成的TPMS發(fā)射模塊,安裝在汽車駕駛臺(tái)上的包括數(shù)字信號(hào)處理單元的RF接收器以及LCD組成。
　　一般情況下,一輛轎車需要4個(gè)TPMS發(fā)射模塊和1個(gè)TPMS接收器;而一輛卡車需要6～12個(gè)TPMS發(fā)射模塊。為了提高系統(tǒng)的接收能力和抗干擾能力,系統(tǒng)安裝時(shí)需要在汽車底盤安裝接收天線。由SP12傳感器、微控制器、MC33493發(fā)射模塊、MC33594接收模塊等主要芯片組成的TPMS系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1中,溫度壓力傳感器將采集到的溫度壓力數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線或RS232接口送到單片機(jī),單片機(jī)發(fā)送一使能信號(hào)ENABLE給發(fā)射器。當(dāng)為高電平時(shí),發(fā)射機(jī)開(kāi)始工作,產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)給單片機(jī),用于信號(hào)的同步。此時(shí),單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給發(fā)射機(jī),發(fā)射機(jī)將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)射出去。接收機(jī)通過(guò)天線接收到信號(hào)后,首先置RESET引腳(用于設(shè)置主從模式)為一低電平,此時(shí)微控制器為主機(jī),通過(guò)MOSI線來(lái)設(shè)置作為從機(jī)的接收器內(nèi)的寄存器,設(shè)置好以后置RESET腳為高電平。此后微控制器為從機(jī),而接收器就變?yōu)橹鳈C(jī)。它產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),通過(guò)MOSI線將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。此時(shí)單片機(jī)(帶有SPI接口)通過(guò)SPI接口與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的連接,以達(dá)到在PC機(jī)上顯示報(bào)警的作用。
1．2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)考慮
　�、儆捎赥PMS發(fā)射模塊工作在劇烈振動(dòng)、環(huán)境溫差變化大和不便于即時(shí)檢修的條件下,因此要求所有的器件要有很好的可靠性和穩(wěn)定性,能適應(yīng)工作在-40～+125℃溫度范圍。為了縮小TPMS發(fā)射模塊的體積、節(jié)省功耗和增強(qiáng)功能,需要盡可能地選用具有多種功能的小型射頻收發(fā)芯片。
　　②隨著能源問(wèn)題越來(lái)越被重視,系統(tǒng)節(jié)能成為本設(shè)計(jì)考慮的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。為了提高TPMS發(fā)射模塊在一節(jié)鋰電池下的工作時(shí)間,應(yīng)該在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)讓系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。喚醒TPMS系統(tǒng)中的發(fā)射部分,可采用這樣一種方法：在傳感器模塊中增加加速度傳感器,利用其對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性,實(shí)現(xiàn)汽車啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)開(kāi)機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)自檢;汽車高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)間周期,利用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期,以逐漸縮短巡回檢測(cè)周期和提高預(yù)警能力。喚醒TPMS系統(tǒng)的接收部分,可以利用接收機(jī)的一個(gè)引腳STROBE。在一個(gè)周期內(nèi),當(dāng)檢測(cè)到有效的ID時(shí),STROBE置高電平,此時(shí)接收芯片就由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件組成及電路設(shè)計(jì)
2. 1 TPMS系統(tǒng)主要硬件組成
　　TPMS系統(tǒng)主要由TPMS傳感器、微控制器和無(wú)線射頻收發(fā)模塊幾個(gè)部分組成。
(1) TPMS傳感器
　　TPMS傳感器是一個(gè)集成了半導(dǎo)體壓力傳感器、溫度傳感器、數(shù)字信號(hào)處理單元和電源管理器的SoC模塊。為了強(qiáng)化胎壓檢測(cè)功能,有不少TPMS傳感器模塊內(nèi)還增加了加速度傳感器、電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘、看門狗和帶12位ADC、4KB Flash、2KB ROM、128 B RAM、128 BEEPROM及其他功能的ASIC數(shù)字信號(hào)處理單元。這些功能單元使得TPMS傳感器不僅能實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車開(kāi)動(dòng)中的輪胎壓力和胎內(nèi)溫度的變化,而且還能實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)即時(shí)開(kāi)機(jī)、自動(dòng)喚醒和省電等功能。
(2)微控制器
　　這里微控制器采用Atmel公司推出的一種小型單片機(jī)89C205l,片內(nèi)含有2KB的Flash程序存儲(chǔ)器和128 B的片內(nèi) RAM。89C2051共20引腳。其中P1口8腳,可以作為一般的準(zhǔn)雙向端口,在引腳的驅(qū)動(dòng)能力上,具有很強(qiáng)的下拉能力。工作電壓為2.7～6V。當(dāng)工作電壓在3V時(shí),電流相當(dāng)于6V工作時(shí)的1／4,空閑時(shí)為1mA,掉電時(shí)僅為20mA。這樣小的功耗很適合于電池供電的小型控制系統(tǒng)。主要特點(diǎn)為采用Flash存儲(chǔ)器技術(shù),其軟件、硬件與MCS-5l完全兼容。其片內(nèi)程序的電可擦寫特性,使得開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)比較容易。
(3)無(wú)線射頻發(fā)射芯片MC33493
　　摩托羅拉的MC33493器件是高溫集成UHF無(wú)線電發(fā)送模塊。可進(jìn)行OOK(On-Off Keying)或者FSK(Frequency Shift Keying)兩種調(diào)制方式。該芯片采用TSSOP-14封裝,工作在300～450 MHz頻段;具有FSK和OOK調(diào)制和解調(diào)能力,抗干擾能力強(qiáng),適合工業(yè)控制應(yīng)用;采用PLL頻率合成技術(shù),頻率穩(wěn)定性好;具有較小的發(fā)射功率,最大發(fā)射功率達(dá)O.18mW;數(shù)據(jù)速率可達(dá)9.6kb／s;1.9～3.6V低工作電壓;功耗低,發(fā)射時(shí)電流11.6mA,發(fā)射待機(jī)狀態(tài)僅為O.8μA(工作溫度在125℃)。
(4)無(wú)線射頻接收芯片MC33594
　　摩托羅拉的MC33594器件是高溫集成UHF超外差無(wú)線電接收模塊。該芯片采用LQFP-24封裝,工作頻率在300～450MHz頻段,電壓在4.5～5.5V范圍內(nèi);接收靈敏度高達(dá)-103dBm。芯片最大的特點(diǎn)是帶有一串行外設(shè)接口SPI(Serial Peripheral Intelface)。通過(guò)SPI,它允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進(jìn)行通信,交換信息。SPI接口使用四條線：串行時(shí)鐘線(SCK),主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO,主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線RESET。

2．2 TPMS系統(tǒng)中的無(wú)線接口電路硬件設(shè)計(jì)
　　TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較關(guān)鍵的一點(diǎn)是數(shù)據(jù)的傳輸部分。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸部分由兩部分組成：一是駕駛室中的無(wú)線接收部分,另外一部分是輪胎中的無(wú)線發(fā)射部分。這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、穩(wěn)定性,將是系統(tǒng)優(yōu)良性能的重要體現(xiàn)。
(1)無(wú)線發(fā)射接口電路設(shè)計(jì)
　　無(wú)線發(fā)射電路由發(fā)射芯片MC33493、AT89C2051單片機(jī)和電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成,如圖2所示。發(fā)射模塊中,引腳3(BAND引腳)接3V高電平,表示系統(tǒng)發(fā)射頻率為434MHz,用于選擇工作頻率;引腳14(MODE引腳)接高電平,表示系統(tǒng)選擇FSK調(diào)制模式。FSK調(diào)制方式定義為一個(gè)信號(hào)的兩個(gè)不同的頻移值分別表示數(shù)字高、低兩種電平。在這個(gè)系統(tǒng)中,低頻移表示數(shù)字高電平,高頻移表示數(shù)字低電平。發(fā)射芯片的FSK調(diào)制方式由與晶振串聯(lián)的下拉負(fù)載電容C1來(lái)實(shí)現(xiàn)。與CFSK引腳相連的有一內(nèi)部開(kāi)關(guān),用以選通下拉電容C1。當(dāng)DATA=O時(shí)(MODE引腳置高電平),開(kāi)關(guān)關(guān)閉,此時(shí)輸出高頻移;當(dāng)DATA=1時(shí),開(kāi)關(guān)接通,此時(shí)輸出低頻移,這就實(shí)現(xiàn)了FSK調(diào)制方式,也就是說(shuō),如果載波頻率是433.92MHz而且總的頻偏是士△f(MHz),則數(shù)字高電平表示為433.92MHz-△f,數(shù)字低電平表示為433.92 MHz+△f。
　　由于MC33493工作電平最大為3V,而微控制器89C2051工作電平最大為5V,要實(shí)現(xiàn)連接就必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)供電為5V,通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路為發(fā)射芯片供電。其發(fā)射芯片MC33493通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳送。它與89C2051單片機(jī)及接收機(jī)一起構(gòu)成無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)。
(2)無(wú)線接收接口電路設(shè)計(jì)
　　無(wú)線接收接口電路主要由接收芯片MC33594與AT89C2051單片機(jī)構(gòu)成,如圖3所示。接收芯片MC33594通過(guò)SPI接接口與單片機(jī)AT89C2051的I／O口相連。該電路中,利用AT89C2051單片機(jī)的I／O口模擬SPI接口,通過(guò)用軟件控制的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送;利用并口P1.1來(lái)模擬SPI的SCK輸出端,P1.2模擬MCU的數(shù)據(jù)輸出端(MOSI),P1.3模擬SPI的數(shù)據(jù)輸入端(MISO),P1.4模擬SPI的從機(jī)選擇端RESET。在接收之前,首先置RESET引腳為低電平,使接收機(jī)變?yōu)閺臋C(jī),而單片機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī)。單片機(jī)通過(guò)MOSI信號(hào)線將單片機(jī)內(nèi)的程序?qū)懭虢邮諜C(jī)的配置寄存器里對(duì)接收機(jī)進(jìn)行配置,配置好后再置：RESET引腳為高電平。此時(shí)單片機(jī)變?yōu)閺臋C(jī),而接收機(jī)變?yōu)橹鳈C(jī),它產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),同時(shí)數(shù)據(jù)由RFIN端接入,經(jīng)低噪聲放大器放大后送入混頻器,使其變換成中頻。在中頻級(jí),經(jīng)變換的信號(hào)在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。