基于射頻收發芯片CC1100的TPMS方案

0 引言?
??? 汽車工業的發展帶動汽車配備用品行業的發展和技術升級。其中，繼安全氣囊、ABS（防抱死制動系統）后，國際汽車領域出現的TPMS（汽車胎壓檢測系統），被譽為新一代汽車高科技安全配備用品。在汽車的高速行駛過程中，輪胎故障是所有駕駛者最為擔心和最難預防的，也是突發性交通事故發生的重要原因。據統計，在高速公路上發生的交通事故有70％～80％是由于爆胎引起的。怎樣防止爆胎已成為安全駕駛的一個重要課題。據有關專家分析，保持標準的車胎氣壓行駛和及時發現車胎漏氣是防止爆胎的關鍵。?

??? 國外自20世紀70年代末開始研究輪胎氣壓監測裝置，歸納起來，主要分為兩種類型：一種是基于車輪速度的（間接式）；另一種是基于壓力傳感器的（直接式）?，F在美國及歐洲一些國家已將TPMS作為汽車必裝設備。我國TPMS的研究雖然起步較晚，但在2003年11月24日頒布的國家標準——《機動車運行安全技術條件（征求意見稿）》中，對安裝輪胎壓力檢測裝置作出了說明，可見我國已開始重視TPMS的發展。?

??? 本文提出的TPMS采用模塊化的設計，規范化的編程，其核心部分是將采集到的溫度壓力數據通過無線方式進行發送和接收。利用Chipcon公司生產的無線收發芯片CC1100能很好地解決這一問題，它支持ZigBee無線網絡技術，功耗低，無需申請頻點，傳輸可靠。?

1、輪胎工作特性及TPMS技術要求?
??? 輪胎由橡膠和骨架材料制成，裝于輪胎毅的外側，支承汽車重量，吸收和緩和沖擊與振動，并使汽車與地面保持良好的附著性能，從而有效地傳遞汽車的驅動力矩或制動力矩。輪胎的工作特性對汽車的安全行駛影響很大。?

??? 影響輪胎正常工作特性的因素主要有：?
a）輪胎溫度過高。由于環境氣溫過高，以及輪胎在高速旋轉時與地面的摩擦，都有可能導致輪胎溫度過高，從而使橡膠老化，縮短了輪胎的使用壽命。?

b）輪胎內部氣壓過大或欠壓。當汽車負載過高或者溫度過高而引起胎內氣體膨脹時，都會導致輪胎內部氣壓過大而發生爆胎現象。?

c）輪胎漏氣導致欠壓，也會增大輪胎和地面的摩擦，不僅耗油，還會縮短輪胎的使用壽命。?

??? 輪胎的機械性能主要是通過輪胎內部的溫度和壓力反映出來，因此，TPMS只要能夠實時地檢測到輪胎內部的溫度和壓力情況，就可以分析出輪胎的運行狀況。?

??? 由于TPMS發射系統處于輪胎的封閉狀態中，因此，系統的主要技術要求如下：?

a）考慮到安裝并采用紐扣電池供電等問題，采樣發射端應體積小、功耗低。?
b）系統能識別本各采樣發射端發來的溫度、壓力測量值。?
c）系統能濾除別的汽車發來的任何數據。?
d）接收端能對各采樣發射端發來的溫度、壓力測量值實時顯示，并能進行越限報警。?

2、TPMS原理與硬件設計?
2.1 TPMS的系統結構?
??? TPMS由采樣發射模塊和接收模塊構成。采樣發射模塊安裝在輪胎內，接收模塊安裝在車廂內。采樣發射模塊對壓力傳感器檢測的氣壓和溫度信號進行采樣，由MCU（微控制單元）進行數據分析處理后送給射頻發射電路，信號經調制后發射給接收模塊。接收模塊的解調電路將發射模塊發射出來的射頻信號放大解調后，將數字信號送給MCU。MCU作出相應的處理，如更新當前壓力值、聲光報警等，從而實現輪胎壓力的顯示和監控。由傳感器、MCU、發射、接收等主要芯片組成的TPMS結構框圖如圖1所示。系統總體布局如圖2所示。?

2.2系統功能與總體設計?
??? TPMS采樣發射模塊工作在劇烈振動、環境溫差變化很大和不便于隨時檢修的條件下。因此，要求所有的器件有很高的可靠性和穩定性，能適應寬的溫度范圍和劇烈的震動。為了縮小TPMS采樣發射模塊的體積、節省功耗和增強功能，需要選用功耗低，功能強的芯片。?

??? 為了延長TPMS采樣發射模塊電池的使用壽命，使其能工作3～5年，系統節電是一個十分重要的課題。只有在大多數時間系統進入睡眠狀態，才能省電與延長電池壽命。?

系統的主要功能如下：?
a）實時監測各輪胎的溫度、壓力情況。?
b）當某個輪胎的壓力過高、過低時報警。??
c）輪胎保養換位時，各輪胎采樣發射模塊的位置編號可重新設定。?
d）可顯示各輪胎當前壓力值、溫度值。?

??? 安裝采樣發射模塊時，將5個模塊逐個開啟工作，進行注冊。接收端接收到采樣發射模塊發來的未注冊的ID（識別碼）編碼后實施注冊，并由人工設置相應的輪胎編號。接收端的MCU將ID與輪胎編碼存儲在E2PROM中，供正常工作時使用。?

??? 若輪胎中模塊失效后，可以將要變更的采樣發射模塊ID從主機接收模塊中刪除后重新注冊。輪胎保養換位后可以在主機接收模塊中重新設置輪胎編碼。?

??? 由于各采樣發射模塊ID的非重復性，可以有效地避免同一車輛的5個輪胎采樣發射模塊之間或不同車輛采樣發射模塊之間的互相干擾。?

??? 汽車行駛時，接收模塊中振動傳感器檢測到汽車振動信號，TPMS被激活。主機通過收發芯片發送命令將采樣發射模塊從休眠中喚醒。采樣發射模塊將輪胎內部的溫度與壓力值經打包后發送出來。接收模塊將接收到的數據包中的ID與存儲在主機E2PROM中的ID及輪胎編碼進行比對，以確定是哪個輪胎的數據，并進行存儲與顯示。當輪胎的壓力過高或過低時，進行報警。汽車停止時，振動傳感器檢測不到振動信號，TPMS便進入休眠狀態。汽車停止時，若想知道輪胎內部的溫度與壓力值，駕駛員可通過按鍵激活TPMS，讀取輪胎當前壓力、溫度值。?

2.3無線采樣發射模塊設計?
??? 由SP12、ATmega48（以下簡稱AT48）和CC1100構成采樣發射模塊。SP12是一種壓力傳感器。測量范圍100 kPa～4 500 kPa，內部具有A／D和SPI（串行外設接口），可以方便地在TPMS中應用。SP12為14引腳貼片封裝，不需要其他的外部器件。?

??? AT48是ATMEL公司生產的基于AVR增強型RISC（精簡指令集計算機）結構的極低功耗8位CMOSMCU。正常模式為：1 MHz，1.8 V／300μA；32 kHz，1.8 V／20μA（包括振蕩器）；掉電模式為：1.8 V／0.5μA。?

??? CC1100是一種低成本的基于Chipcon′Smart RF（射頻）技術的單片可編程UHF收發芯片，為低功耗無線應用而設計。其工作頻段靈活，可以設定在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM（工業、科學和醫療）和SRD頻段。功耗低（接收電流小于16 mA，發射電流小于30 mA，休眠時電流小于10 μA，且支持ZigBee無線網絡技術。CC1100的主要工作參數能通過SPI接口編程改變，這樣使CC1100使用起來更靈活。?

??? 采樣發射模塊電路設計如圖3所示。傳感器SP12將采集到的數據發送給AT48，AT48將數據通過SPI口送給CC1100，再由CC1100轉換成數據幀發送給主機接收模塊。?

??? 模塊發射頻率由發射芯片CC1100的晶振及外部元件決定，本系統選擇發射頻率433 MHz，這時引腳8和引腳10接26 MHz晶振。C2為（3.9±0.25）pF，C3為（3.9±0.25）pF，C4為（8.2±0.5）pF，C5為（5.6±0.5）pF，C6為220pF±5％，C7為220pF±5％，L2為27nH±5％，L3為27nH±5％，L4為22nH±5％，L5為27nH±5％。電阻R2用來設置一個精確的偏置電流。C3、C2、L2和L3形成一個平衡轉換器，用以將CC1100上的微分RF端口轉換成單端RF信號。CC1100支持振幅、頻率和移相調制格式，可以通過寄存器MDM-CF2.MOD_FORMAT進行配置。?

??? 通過設置CC1100寄存器WORCTRL將其配置為WOR（電磁波激活）方式，并設置寄存器位MCS1.RX-OFF_MODE。當采樣發射模塊接收到有效數據包后，CC1100被激活并進入發射模式同時喚醒AT48。?

2.4無線接收模塊設計?
??? 接收電路由無線收發芯片CC1100和AT48組成，如圖4所示。

??? CC1100和AT48通過SPI口進行數據傳輸。在接收狀態時，由SCLK作為同步時鐘，CC1100收到有效的數據信息，將數字信號送給AT48的SPI口。AT48將接收到數據進行譯碼，從數據流中提取各輪胎的溫度和壓力值，然后作出相應的處理，如更新當前溫度和壓力值、聲光報警等。在接收之前，AT48通過對SPI數據寄存器SPDR寫相關數據，對CC1100進行初始化和配置相應寄存器，然后等待接收數據。?

3、軟件設計?
3.1系統拓撲結構?
??? 接收模塊和采樣模塊采用主從方式，接收模塊可看做是主設備，輪胎內部的采樣模塊是從設備。為實現采樣發射模塊與接收模塊之間可靠的無線通信，兩者之間必須以一定的協議進行。 ZigBee網絡中包括協調器、FFD（全功能器件）和RFD（簡化功能器件），并支持星形網絡、樹狀網絡和網狀網絡3種網絡拓撲結構。考慮到普通小轎車有4個輪胎和1個備用輪胎，每個輪胎內的采樣發射模塊作為ZigBee網絡的1個子節點，子節點之間不進行數據的傳輸，只與車廂內的接收模塊進行通信，因而選用星形拓撲結構。RFD子節點通過ZigBee無線網絡將數據以幀的形式傳送給接收端，再由接收端主機對數據進行分析、處理后顯示出來。圖5是ZigBee網絡的數據幀格式。?

3.2軟件設計?
??? 采樣發射模塊與接收模塊（主機）間的通信模式如圖6所示。?

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??? 采樣發射模塊向接收模塊發送的數據幀格式如圖7所示。?

3.2.1采樣發射模塊程序流程?
??? 采樣發射模塊的主程序流程如圖8所示。當CC1100檢測到喚醒命令時被激活，并喚醒MCU。MCU配置CC1100進入發射模式。MCU采集傳感器檢測到輪胎內的數據進行處理后，由CC1100發往主機。發送成功后，CC1100和MCU則重新進入休眠狀態。寄存器配置如表1所示。?

3.2.2接收模塊程序流程??
??? 接收模塊的程序流程如圖9所示。?

??? 接通電源后，AT48先進行初始化，再對CC1100進行配置。當MCU檢測到振動信號時，給采樣發射模塊發送激活命令。發送命令成功后，立刻進入接收模式，若CC1100接收狀態準備好，則可以接收數據。若接收到的數據是有效的，則將接收到的ID與存儲在單片機E2PROM中的ID碼進行比較，如果與其中的某個ID相匹配則數據就被處理并保存。當檢測到溫度、壓力值偏離正常值則進行報警，提醒駕駛員注意。駕駛員也可通過顯示器察看當前檢測到的輪胎內部的溫度和壓力值。?

??? 具體實現程序段如下：?

4、結束語?
??? 本文提出的基于ZigBee無線網絡技術和無線收發芯片CC1100的TPMS，充分利用無線收發芯片CC1100、AT48和傳感器SP12的特性，采用低功耗、低復雜度的ZigBee網絡技術作為通信協議，在電磁波激活模式下，發送數據包成功后CC1100可以進入深度休眠狀態，大大降低了模塊功耗。每個輪胎都設置了固定的ID碼以避免外界的干擾，駕駛員可以在駕駛室手動讀取任何一個輪胎的溫度、壓力值，實時監測輪胎狀況，預防輪胎故障。該系統的實現為防止汽車爆胎提供了一個有效的途徑。