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用于轮胎压力监测系统的技术与芯片应用特征




关键词:

   1、前言

  轮胎压力监测系统(TPMS -Tire pressure monitoring system)对于提高汽车安全性有举足轻重的影响,当今世界己有不少国家高速公路安全协会因此立法强制实施TPMS。而低功耗、在恶劣环境下高度运行的可靠性、较小的压力传感器误差容限,以及更长的工作寿命等是TPMS的主要要求,于是方案的设计和芯片的选择也围绕这个要求进行。

  1.1目前TPMS主要有三种实现方式。

  直接TPMS系统、间接TPMS系统和正在推出的混合TPMS。但是,间接TPMS有一定的局限性,采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后,这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析,分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同,它可以显示每个轮胎的实际气压,甚至还包括备用轮胎的气压。因此,直接TPMS可以连接至显示器,告诉司机哪个轮胎充气不足。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到 7kPa--1.0psi的压降。为满足多轮压力检测要求,由于系统安装了直接气压传感器,混合TPMS能够克服常规直接TPMS的局限性,它们能够检测到在同一个车轴或车辆同一侧的两个处于低压状态的轮胎,当所有4个轮胎都处于低压状态时,系统也可以检测到故障。

  1.2下一代新型系统,就是将集成车轮模块所需的感应功能和发射功能。

  这就意味着,mcu、传感器和射频发射器都被封装在一起。与现有的产品相比较它集成了气压传感器、加速度传感器、温度传感器、搭载片上闪存的8051微处理器、低频接收器接口以及315/433/868/915MHz射频发射器。除减少组件数量外,它还可以降低系统总体成本,因为板卡设计更加简单,尺寸更小。而另外一项重要的设计挑战来自于无线控制,第一代TPMS发送器的设计采用SAW共振器的ASK调制技术来产生适当的发射频率。该 ASK系统虽然非常廉价,但却容易受到由于车轮(发送器安装在其上)旋转所导致的接收场强变化的影响。出于这一原因,现在的TPMS都采用基于晶体振荡器的FSK调制方法和PLL合成器来产生中心频率和频率牵引。

  值此本文将以基于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的方案为例作分析,并对用于TPMS新型芯片作介绍。

  2、基于LIN总线分布式实时轮胎压力监测系统的设计方案

  为实现长期(≥10年)使用寿命这一目标,必须使用低功耗集成化部件。电源管理因此成为首要的挑战。也就是说TPMS面临的主要问题是在有限的能源下能有较长的使用寿命。可以通过采用低功耗的压力传感器、分析测量所得数据并结合车辆实际情况(熄火或运行)来改变监控系统的工作方式及高效的数据采集控制算法等方法来降低整个系统的功耗。

  由于将研讨LIN总线应用于TPMS,并用MCU、RF和传感器实现TPMS见图1直接式基于LIN总线的TPMS方案示意图。而实用 TPMS示意的轮胎气压监测系统,是由与轮胎阀一体的4个讯号发射器、收讯天线、收讯器及讯号显示仪四类部件组成的。为此有必要先对汽车应用的LIN总线有关技术作介绍。

基于LIN总线的TPMS方案示意图

  2.1关于汽车应用的LIN总线技术

  2.11LIN总线LIN总线的主要特征为API到物理层的结构

  针对汽车应用的LIN 1.0(本地互连网络)和LIN 2.0总线系统,它的目标是低成本应用,除了TPMS外还有电动门、电动窗、侧镜、雨刮器、座椅安全带报警、外部照明等。LIN总线的传输速度最大为 20kbps,而且它在单通道总线环路中最多能支持16个节点,总线电缆的长度最多可以扩展到40米。LIN足一种基于通用SCI(UART)字节接口的单线串行通讯为协议。图2(a)框图所示为LIN总线API到物理层的结构。而LIN总线的主要特征为:—个主节点、多个从节点的概念,无需总线仲裁;低成本:基于普通UART/SCI接口硬件;自同步,在从节点中不用晶体振荡器或陶瓷振荡器时钟;保证信号传输的延迟时间;低成本单线实现连接;速度高达 20kbps;基于应用交互作用的信号;LIN总线的驱动/接收器规范遵从IS09141标准。

LIN总线API到物理层的结构

  2.12LIN拓扑结构

  LIN采用单主机多从机模式,一个LIN网络包括一个主机节点和若干个从机节点。(由于过多节点将导致网络阻抗过低,一个L1N网络中节点总数不宜超过16。)主机节点既包括主机任务也包括从机任务,从机节点都只包括从机任务,如图2(b)为LIN拓扑结构示意图。主机节点也可以通过网关和其他总线如CAN连接。

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