可实现自主配置的新型TPMS设计.pdf

第 卷第期 年月兰州文理学院学报(自然科学版)J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fA r t sa n dS c i e n c e(N a t u r a lS c i e n c e s)V o l N o S e p t 收稿日期:基金项目:无锡商业职业技术学院省级培育项目(K J X J );无锡商业职业技术学院大学生创新创业训练计划项目()作者简介:肖文光(),男,山东菏泽人,高级工程师,硕士,研究方向为电子工程技术应用 E m a i l:x w g b c o m文章编号:()可实现自主配置的新型T PM S设计肖文光,李艳华,张建军,唐家文(无锡商业职业技术学院 物联网与人工智能学院,江苏 无锡 )摘要:针对前装直接式T PM S应用中轮胎传感器与胎压接收器匹配存在时间地点受限、便利性差、成本高等问题,提出一种可实现自主配置的新型T PM S设计方案该方案一方面将轮胎传感器低频触发驱动电路集成到R K E钥匙中,实现 各 轮 胎 传 感 器I D的 便 利 自 主 配 置;另 一 方 面 优 化 射 频 链 路 并 采 用 双 模 无 线 收 发 器MA X 分时接收轮胎传感器和遥控钥匙发出的信号,解码输出的胎压数据通过C AN总线传送到汽车组合仪表进行显示,解码输出的按键控制指令通过C AN总线传送到车身控制器完成车门车窗的驱动控制测试结果表明,双模无线收发器在曼彻斯特编码速率为k b p s、频移 k H z时,F S K接收灵敏度约为 d B m,达到了设计要求关键词:T PM S;R K E;S P ;自主配置中图分类号:T P 文献标志码:AD e s i g no faN e wT PM S t oR e a l i z eA u t o n o m o u sM a t c h i n gX I A O W e n g u a n g,L IY a n h u a,ZHANGJ i a n j u n,T ANGJ i a w e n(S c h o o l o f I n t e r n e to fT h i n g sa n dA r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e,Wu x iV o c a t i o n a l I n s t i t u t eo fC o mm e r c e,W u x i ,J i a n g s u,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e m so f l i m i t e d t i m ea n dp l a c e,p o o r c o n v e n i e n c ea n dh i g hc o s t i nt h em a t c h i n go f t i r es e n s o r sa n dr e c e i v e r s i nd i r e c tT PM S,ac o m p o s i t eT PM Sd e s i g ns c h e m et h a t c a nr e a l i z ea u t o n o m o u sc o n f i g u r a t i o ni sp r e s e n t e d T h i ss o l u t i o ni n t e g r a t e st h el o w f r e q u e n c yt r i g g e rc i r c u i t o f t h e t i r e s e n s o r i n t o t h e r e m o t ek e y,w h i c hr e a l i z e s t h e c o n v e n i e n t a n da u t o n o m o u sc o n f i g u r a t i o no ft h et i r es e n s o rI D;t h ed u a l m o d et i r ep r e s s u r et r a n s c e i v e ri su s e dt or e c e i v e t h es i g n a l s f r o mt h e t i r es e n s o r a n dt h e r e m o t ek e y i na t i m e s h a r i n gm a n n e r T h ed e c o d e dd a t ai ss e n tt ot h ec o m b i n a t i o n m e t e ra n dt h eb o d yc o n t r o l l e rr e s p e c t i v e l yt h r o u g ht h eC ANb u s T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h eF S Kr e c e i v i n gs e n s i t i v i t yo f t h ed u a l m o d e t i r ep r e s s u r e t r a n s c e i v e r i sa b o u t d B mw h e nt h eM a n c h e s t e r e n c o d i n gr a t e i s K b p sa n dt h e f r e q u e n c yd e v i a t i o n i s KH z,w h i c hm e e t s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s K e yw o r d s:T PM S;R K E;S P ;a u t o n o m o u sm a t c h i n g在汽车内部众多电子控制单元中,胎压监测系统(T i r eP r e s s u r eM o n i t o r i n gS y s t e m,T PM S)和遥控无钥匙进入系统(R e m o t eK e y l e s sE n t r y,R K E)是汽车安全、防盗系统的重要组成部分直接式T PM S主要由轮胎传感器和胎压接收器组成 R K E系统主要由安装在车内的主控单元和便携式钥匙模块组成直接式T PM S各轮胎传感器与胎压接收器需要先完成位置匹配才能正常使用车辆出厂前一般由厂家完成配置,当车主需要轮胎换新或调换时,只能去 S店或专业维修机构才能完成各轮胎传感器与胎压接收器的重新匹配这种方式使得T PM S配置的时间、地点都受到限制,车主不能自主完成配置,使用不方便,且花费的精力和时间较多R K E和T PM S是基于无线通信技术进行数据接收和发送信息,二者在射频技术指标上的对比结果如表所列表R K E和T PM S技术参数对比参数名称R K ET PM S调制模式A S K或F S KF S K或A S K通信频率 MH z或 MH z MH z或 MH z编码方式曼彻斯特码或PWM码曼彻斯特码接收灵敏度小于 d B m小于 d B m通信波特率小于 k b p s小于 k b p s由于R K E和T PM S在射频工作原理上存在共同点,可考虑将二者的无线接收器共用,减少硬件开销从而降低成本文献 提出在无钥匙进入与无钥匙启动系统中集成T PM S的设计方案,文献 提出在车身控制器中集成T PM S的方案这两种方案都是在车身控制器中集成T PM S,由于车身控制器需要驱动车窗、雨刮器等多个电机执行机构,控制电流很大,容易对T PM S无线通信产生电磁干扰,导致T PM S误报警或接收失败基于遥控钥匙的便携性和方便性,本设计考虑将轮胎传感器低频触发驱动电路集成到R K E钥匙中,同时基于共性设计的思想和C AN总线技术,提出一种可实现自主配置的复合型T PM S设计方案,为降低成本和提升产品性能提供了新思路1系统描述可实 现 自 主 配 置 的 复 合 型T PM S主 要 由R K E钥匙、轮胎传感器、双模胎压收发器以及组合仪表、车身控制器组成,系统组成如图所示R K E钥匙内部集成有低频驱动电路,可以和轮胎传感器通过低频 k H z进行通信;除了R K E系统使用的上锁、解锁两个按键之外,还需要至少一个低频触发“配置”按键当汽车点火开关为ON状态时,胎压监测系统进入正常模式;当汽车点火开关为O F F状态时,胎压监测系统进入熄火模式正常模式下双模胎压收发器只接收个轮胎传感器的胎压检测数据,熄火模式下双模胎压收发器只接收R K E钥匙发送的按键指令双模胎压收发器通过高速C AN总线与组合仪表和车身控制器连接,由组合仪表完成胎压数据的显示或报警,由车身控制器完成开门、关门、车窗玻璃升降等动作 R K E钥匙和双模胎压收发器之间的通信采用A S K调制模式 个轮胎传感器和双模胎压收发器之间的通信采用F S K调制模式 R K E和T PM S的通信频率均为 MH z 图T PM S系统组成2硬件设计可实现自主配置的复合型T PM S硬件设计主要包括低频驱动电路、轮胎传感器电路和胎压收发器电路部分2 2.1 1低频驱动电路设计低频驱动电路的原理是单片机产生一个 k H z的PWM信号,经低频天线和电容组成的L C串联谐振电路后变成正弦波,其驱动电路原理如图所示兰州文理学院学报(自然科学版)第 卷当电路的谐振频率与PWM信号的频率一致时,L C电路阻抗最小,通过低频天线的负载电流最大,从而产生很强的磁场由图可知,当方波正脉冲输入时,经耦合电容C、C 滤除低频分量和电阻限流后到达三极管V、V 的基极此时,V 基极电压接近V D D,V 管截止,V 管导通,L、C 组成的低频谐振回路开始放电,谐振频率为 k H z D、D 用于稳定功放三极管基极,R、R 为发射极限流电阻 V、V 基极并联电容C 用于调节功放三极管开关速度,降低由开关工作转换不理想带来的损耗,适当减小加速电容C 可以加快功放三极管的开关速度 PWM方波负脉冲输入时情况与上述刚好相反,V 管导通,V 管截止,L、C 组成的低频线圈谐振回路开始充电,由此在低频线圈L 周围产生 k H z电磁场图低频驱动电路2 2.2 2轮胎传感器电路设计轮胎传感器主要由单片机、传感器、射频单元、电池和天线部分组成,传感器通常包括压力传感器、温度传感器和加速度传感器随着微电子机械(MEM S)技术的进步,轮胎传感器朝着将单片机、传感器、射频单元等集中到一颗芯片的单芯片化方向发展,体积更小,功耗也更低,作为其典型代表的英飞凌公司的S P 应用电路结构如图所示 S P 应用电路分为高频发射电路和低频接收电路两部分 高频发射电路T PM S常用工作频率有 MH z和 MH z两个频点美国、加拿大等北美国家主要采用 MH z频 点,而欧洲国 家 多 采 用 MH z频点 S P 只需要一个 MH z晶振即可同时支持 MH z和 MH z工作频率,而早期的传感器芯片通常需要两个不同频率的晶振 L、L、C、C 、C 和C 组成了天线匹配网络,通过优化这些参数可以抑制谐波,实现特定阻抗的天线与S P 功率放大器相匹配,提高天线的效能本设计采用气门嘴作为天线,通过软件仿真和反复测试验证,最佳匹配电路如图所示针对不同的应用对象,S P 有F S K、A S K两种调制模式可供选择 A S K调制模式是根据数字信号l和开通或断开载波,抗噪声能力较差,易受干扰 F S K调制模式是按照数字信号的值来调制不同的载波频率(即和分别用不同的频率表示),抗干扰性能较强,由于汽车内部电磁环境复杂,所以本设计选用F S K调制方式,并通过寄存器X T A L l和寄存器X T A L 实现图S P 应用电路结构第期肖文光等:可实现自主配置的新型T PM S设计 低频接收电路如图所示,低频接收电路由并联的电阻R、电容C 和低频线圈L组成当低频发射频率为 k H z时,为使低频接收灵敏度达到最优,电容C 和低频线圈L的谐振中心频率应设置为 k H z 若低频线圈的电感值为 mH,根据谐振电路计算公式fc L C,可计算出谐振电容C 取值应为 p F,电阻R 用于调整L C谐振电路的品质因数 2 2.3 3胎压收发器电路设计胎压收 发 器 主 要 由 无 线 收 发 器、单 片 机、C AN收发器、高频天线和电源组成为兼容R K E接收功能,无线收发器需具有接收轮胎传感器发出的F S K信号和接收遥控钥匙发出的A S K信号的双模 接 收 能 力,单 片 机 选 型 需 要 支 持 高 速C AN B接口标准本设计选用MA X I M公司的双模收发芯片MA X 的应用电路结构如图所示 MA X 的外围电路主要包括L C谐振电路、天线匹配电路和晶振电路部分 L C谐振电路由连接在L NAOUT引脚的电感L 和电容C 组成,谐振频率f LTO TA LCTO TA L其中,LTO TA L为电感L 以及印制板引线、封装引脚、混频器输入阻抗、L NA输出阻抗的寄生电感之和,CTO TA L为电容C 以及印制板引线、封装引脚、混频器输入阻抗、L NA输出阻抗的寄生电容之和由于寄生电感和寄生电容对高频L C谐振电路的中心频率有重要影响,因此需要通过测试进行电路优化以保证谐振频率与前端输入频率尽可能一致前端输入频率为 MH z,当L n H,C p F时,接收灵敏度最高天线匹配电路由电容C、C、C、C和电感L、L、L、L组成,用于完成 天线与接收输入端L NA I N和功放输出端P AOUT的阻抗匹配接收输入端L NA I N等效于一个 电阻与一个 p F电容串联,当前端输入频率为 MH z时,接收端输入阻抗Z j 为消除输入阻抗的虚部影响,需要在L NA S R C引脚串联一个感抗为 的电感L,可算出匹配电感L约为 n H当调制频率为 MH z时,晶振G频率应选择 MH z;当调制频率为 MH z系统,晶振G频率应选择 MH z,负载电容C、C用于修正因电路板寄生电容导致的晶振频率偏移图MA X 应用电路结构兰州文理学院学报(自然科学版)第 卷3软件设计软件设计主要包括自主配置步骤和胎压传感器软件控制流程两部分3 3.1 1自主配置步骤本设计实现用户自主配置包括下列操作步骤:()汽车点火开关打到ON状态,在组合仪表上设置光标停在右前轮,并按照秒周期进行闪动;()将R K E钥匙距离右前轮气门嘴 c m处,按下“配置”键触发右前轮内部的轮胎传感器;()右前轮轮胎传感器立即检测轮胎内部的气压和温度信息,并和传感器芯片I D号打包成一帧数据发给胎压收发器;()胎压收发器解调出数据帧并判断,如果正确则通过C AN总线发给组合仪表显示,如果错误则丢弃继续等待接收;()组合仪表接收到正确的数据帧后,读取传感器I D号,将该I D号和右前轮匹配显示当前的气压值和温度值,并启动声音报警表示配对成功;()设置光标到下一个轮胎位置,重复步骤()()即可完成其余轮胎内部传感器的配对3 3.2 2轮胎传感器软件控制流程当汽车点火开关状态为ON时,T PM S进入正常 模 式;当 汽 车 点 火 开 关 状 态 为O F F时,T PM S进入熄火模式正常模式下,轮胎传感器的软件控制流程如图所示,个轮胎传感器分别按照m i n/次检测加速度,当连续次加速度检测值在g g区间时认为是处于停车状态,停车状态轮胎传感器控制流程如下:()胎压、加速度检测周期均为s,只检测数据不发射;()当检测气压变化值超过 b a r,发送一次胎压数据更新显示;()当检测到气压低异常状态时,按照 s/次发送胎压数据,发送次后按照m i n一次发送胎压数据,气压恢复正常则自动消除报警若加速度检测值超过g时,则认为进入行车状态,行车状态轮胎传感器控制流程包括下列步骤:()检测轮胎内部气压值,并按照 s一次发送胎压数据,发送次后按照m i n一次发送胎压数据;图轮胎传感器软件控制流程()气压检测周期均为s,加速度检测周期为m i n;()当检测气压变化值超过 b a r,发送一次胎压数据更新显示;()当检测到气压低异常状态时,按照s一次发送胎压数据,发送次后按照m i n一次发送胎压数据,气压恢复正常则自动消除报警熄火模式下,胎压收发器内的无线收发器MA X 进入A S K接收状态,开始接收遥控钥匙发送的遥控命令,此时收发器对其他F S K信号是不能解码的此外,胎压收发器的发送功能只在与遥控钥匙进行配对时启用4性能测试T PM S的性能测试包括接收灵敏度测试、发射功率测试、传感器功能测试和传输距离测试等多个方面,下面着重对双模胎压收发器的接收灵敏度测试方法和测试结果进行说明接收灵敏度的测试需要用到的测试仪器包括信号发生器、示波器、直流稳压电源、串口转换板和误码率测试软件等测试原理为:信号发生器模拟轮胎传感器模块产生特定频率的方波信号并调制高频输出;输出射频信号加之无线收发器MA X 的接收天线处;MA X 解码输出原始方波信号送入单片机定时捕捉引脚;单片机根据设定脉宽门限判断方波信号对错,判断结果通过串口转换板发送到误码率测试软件;测试软件统计接收 次出错的次数,错误次数不超过次就是合格的,即误码率 误码率测试介面如图所示第期肖文光等:可实现自主配置的新型T PM S设计图误码率测试界面MA X 的灵敏度测试包括A S K灵敏度测试和F S K灵敏度测试以F S K灵敏度测试为例,测 试 前 信 号 发 生 器 调 制 频 率 设 为 MH z,方波信号频率设为k H z,F S K频移设为 k H z 信号发生器输出功率设为 d B m时,用示波器观察MA X 的D AT A引脚输出的波形如图所示可以看出,此时MA X 解调输出的方波信号还是很清晰完整的,没有过冲或杂散脉冲图MA X 解调输出波形用误码率测试软件对MA X 解调输出的方波信号进行误码率测试,测试部分结果如表所列表误码率测试结果记录时间数据类型数据标识错误次数:调试信息接收错误次:调试信息接收错误次:调试信息接收错误次:调试信息接收错误次:调试信息接收错误次:调试信息接收错误次:调试信息接收错误次:调试信息接收错误次:调试信息接收错误次:调试信息接收错误次按照误码率测试要求,k b p s调制信号的测试灵敏度约为 d B m,与数据手册相符,达到了设计要求5结语本文从方便用户使用和低成本设计的角度出发,提出了一种可实现用户自主配置的复合型T PM S设计方案采用该方案设计的T PM S系统使用方便,轮胎传感器和胎压接收器匹配不受时间、地点限制,车主完全可以自主实现轮胎配对,同时使用T PM S和R K E射频共性设计,通过C AN总线实现多单元互连,简化了控制电缆及其走线,对降低研发成本促进T PM S普及应用具有重要意义参考文献:李艳华,张春芳一种可实现自主配置的胎压监测控制方法J兰州文理学院学报(自然科学版),():路平,孙灿,张进明 P E P S系统集成T PM S的方案设计研究J汽车电器,():汤自宁,吴瑾,王冠达,等集成于车身控制器的胎压接收模块硬件设计J汽车电器,():李艳华,张春芳一种可实现自主配置的新型T PM S设计J兰州工业学院学报,():I N F I N E ON T E CHNO L OG I E S A G T i r ep r e s s u r em o n i t o r i n gs e n s o rS P P L U Sd a t a s h e e tE B/O L()h t t p s:/w w w i n f i n e o n c o m/c m s/c n/p r o d u c t/s e n s o r/p r e s s u r e s e n s o r s/t i r e p r e s s u r e s e n s o r t p m s/I N F I N E ON T E CHNO L OG I E SA G W i r e l e s sp r e s s u r es e n s i n gE B/O L()h t t p s:/w w w i n f i n e o n c o m/d g d l/I n f i n e o n W i r e l e s s_p r e s s u r e_s e n s o r_S P A p p l i c a t i o n B r i e f v _ E Np d f?f i l e I d d a a d f a c e a c MA X I M L o w c o s t,c r y s t a l b a s e d,p r o g r a mm a b l e,A S K/F S Kt r a n s c e i v e rw i t hf r a c t i o n a l NP L LMA X d a t a s h e e tE B/O L()h t t p s:/d a t a s h e e t s m a x i m i n t e g r a t e d c o m/e n/d s/MA X p d f 李 艳 华,王 海 荣一 种 兼 容R K E接 收 功 能 的 新 型T PM S设计J西华大学学报(自然科学版),():责任编辑:李岚兰州文理学院学报(自然科学版)第 卷