无线通讯及协议

　　TPMS系统无线通信的设计关乎整个系统数据传输的可靠性,接收芯片MC33594提供了灵活的软硬件通信资源。通过软件对MC33594的内部寄存器CR1、CR2、CR3进行编程,设定本TPMS系统的载波频率为434MHz,无线数据传输速率为9600bps。发射模块与接收模块的数据传输采用固定帧长,格式为：帧头(2字节)+发射机ID(4字节)+压力数据(1字节)+温度数据(1字节)+状态信息(1字节)+校验(1字节)+帧尾(1字节)。

　　其中帧头包含同步头、预设的ID信息(用于RF信号识别)、报头标志(为二进制曼彻斯特编码0110),同步头用于唤醒MC33594的内部电路,并通过PLL锁定RF载波频率;预设的ID信息用于识别系统信息的匹配;如果预设的ID信息匹配,则启动数据管理器,再判断报头是否到达,收到报头后正式接收数据。

　　TPMS系统设计中的难点分析

　　信号可靠性要求

　　TPMS是一个测量胎压、温度等,涉及安全信息的无线收发系统,其信号可靠性是设计中始终要考虑的问题。该信号可靠性包括两个方面：数据接收率和误码率。数据接收率是指接收机能否可靠地收到发射机发射的每一帧数据,不仅涉及接收机的灵敏度和发射机的发射功率,还有一个重要的影响因素：当发射机装入轮胎而接收机放入车内时,车体本身相当于一个屏蔽盒,对信号的衰减相当大,再加上多个发射机的数据冲突及周围环境的干扰等,导致系统的数据接收率较低。误码率是指发射机发射的信号在传输途中因为外界环境干扰致使接收机收到错误的数据信息,导致系统可靠性降低。

　　在基于MPXY8020的TPMS设计中,我们采用高增益的发射天线及匹配电路使发射功率达到理想的设计要求,特别在接收端除了匹配电路设计外,一方面,根据汽车上无线电传输路径的研究分析,采用双天线的接收模式;另一方面,根据多发射机发射信号的随机性和冲突性,采用时差间隙发送数据的方式进行发射,并在接收软件的设计中采用中断接收循环处理的接收模式,这样TPMS信号 接收率可高达98%以上。另外在软件设计中对传输数据采用多种校验方式相结合的方法,使系统的误码率大为降低。

　　当然,频繁的发射数据可以增加接收机接收数据的几率,从而提高系统可靠性,但这样会大大降低电池的使用寿命。

　　环境要求

　　TPMS作为汽车上应用的产品,其环境适应方面要求相当严酷,特别是发射机,除了温度范围宽以外,还要达到防水、防盐雾、抗振动、抗冲击、电磁兼容等诸多要求。这样对原材料提出很高的要求,比如电池的工作温度必须达到-40～125℃;发射机外壳必须采用高强度、高韧性、耐高低温的材料等。TPMS发射机的生产工艺也要求很高,比如采用密封、灌胶等工艺,还要在生产过程中设计诸多的环境试验。

　　关键元器件之一的电池,采用TADIRAN的TLH2450电池,达到温度的设计要求;结合发射机外壳的环境要求和基于对各种塑料材料的特性分析,采用尼龙、玻纤等合成材料设计发射机外壳,达到了抗振动、抗冲击、耐高低温等设计要求;另外,对发射机的制作采用灌胶密封的方式,即使将发射机全部浸没水中,也可以正常发射数据。

　　体积重量要求

　　TPMS发射模块要装入轮胎内,则体积不能过大,太大会给轮胎安装、拆卸造成很大的问题;其次,发射模块的重量要很轻,否则会对轮胎的动平衡产生影响。因此在TPMS的设计中,对发射模块的体积和重量都作了严格的限制,达到了体积小、重量轻的设计要求。

　　使用寿命要求

　　TPMS的使用寿命一般要达到8～10年,这对仅靠一只500mAh的电池(电池容量过大会增加发射模块的体积和重量)维持工作的发射机的设计确实是不小的难题。除了硬件电路的设计功耗要极小以外,TPMS发射机的固件设计相当重要,在保证系统可靠性要求的前提下,发射机的传感器测量次数、RF数据发射次数都要作严格控制。因此,设计者往往要在系统可靠性及寿命要求的矛盾中作优化。

　　在基于8020传感器的TPMS设计中,考虑到发射机以3s中断唤醒MCU的方式进行工作,其发射模块大多时间都在省电状态,因此对省电状态的功耗设计达到0.6uA以下,另外在电池极端寿命的实验下基于对发射机发射次数的统计,理论计算该TPMS系统的寿命高达10年以上。

　　结语

　　直接式TPMS系统在产品化设计中面临诸多难点。作为汽车安全产品,应更多关注其系统的失效分析。随着TPMS技术的不断发展,新的TPMS技术方案集成度越来越高,特别是将传感器、MCU、发射电路集成于一体后,不但发射模块的体积更小、重量更轻,其性能、功能等都有很大的提高,如增加了LF、LVD、加速度测试等功能,甚至通过CAN总线使TPMS系统与整车电子系统相连,从而实现信息共享。