TPMS系统设计

摘要：应用最新的集成TPMS芯片MPXY8300，设计出TPMS的整体方案，实现了TPMS的各项功能，使其具有智能化的测量监控功能，系统具有一定的实用价值和应用前景。
关键词：TPMS；发射；接收；数据处理；报警

0 引言
    在汽车行驶中，汽车轮胎的低气压、高气压、漏气、温度过高等都可能造成爆胎，从而引发严重的交通事故。TPMS是汽车轮胎压力监视系统“Tire Pressure Monitoring System”的英文简称，主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎压力进行自动检测，对轮胎漏气和高气压进行报警，以保证行车安全。
    基于MPXY8300设计的TPMS系统，由安装在轮胎里的发射模块与安装在驾驶室内的接收模块组成，相应的软件部分也有发射模块软件和接收模块软件两大部分。发射模块和接收模块是通过无线射频方式进行数据传送的，数据的通信无线传输协议为，载波频率是434MHz，数据传输速率9600bps，调制方式为频移键控方式，数据采用曼彻斯特编码。

1 硬件设计
    TPMS的发射模块由MPXY8300、电源和发射天线组成。接收模块由接收芯片MC33596、微控制器MC68HC908KX8、显示报警和电源电路组成。系统框图如图1所示。

1．1 发射模块
    发射模块由天线、电池和传感器、单片机、发射器集成芯片组成。传感器含有压力、温度、加速度、电压检测和信号预处理等功能；天线为小环行板载天线，电池为锂亚电池。发射模块实现轮胎压力、温度、加速度等的检测、测量数据的初步处理、数据的RF无线传输等功能。发射电路如图2所示。

    MPXY8300集成压力和温度传感器，集成基于PLL的315／434MHz RF发射器，多种波特率选择，同时支持FSK／ASK调制模式，带有512字节RAM和16K字节Flash的8位MCU，带有探测器和解码器的LF输入，过温关断，供电电压测量，多达二路的加速计用于运动监测和轮胎位置识别，由LFO驱动的低功耗唤醒计时器和周期性复位，独特的用于媒介保护的集成过滤器，针对FMVSS 138设计，采用了新一代电容式传感器技术，使之功耗更低、集成能力更高。MPXY8300智能传感器还包含了加速度计，加速度传感器通过检测汽车的加速度，实现汽车停止、运转、告诉运动等情况的判断，从而进入系统自检、自动唤醒、工作方式选择等功能，汽车高速行驶时按运动速度自动智能确定检测时间的周期，以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力、节省电能等。[!--empirenews.page--]
1．2 接收模块
    接收模块的核心是UHF接收芯片MC33596，MC33596支持304～915MHz的OOK和FSK解调；片内支持数据曼彻斯特解码，节省了外部微控制器解码软件系统占用；具有片内定时唤醒、片脚唤醒并可设置特定帧唤醒外部MCU功能，节省系统功耗；同时支持两套系统参数配置。接收电路如图3所示。

1．3 微控制器和显示报警电路
    飞思卡尔的MC68HC908KX8也称为KX8，属于低成本高性能的芯片，最大总线内部频率5V时8MHz、在3V时为4MHz，无需外部元件，软件可以选择总线频率。
    系统要求显示电路通过数字显示屏向驾驶员实时提供轮胎的状态信息和报警信息，其核心器件选用液晶显示模块LCM046。LCM046该模块为四位八段带小数点液晶显示，可直接驱动LED，带有蜂鸣片驱动电路，3～4线串行接口，可与任何单片机、接口IC接口，内含WDT看门狗时钟发生器，显示比较清晰，对比度较高，稳定可靠，性价比高。
    本系统采用声光报警方式来提示轮胎的非正常工作状态，通过系统状态LED、蜂鸣器、轮胎位置报警LED实现系统报警功能。
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2 软件设计
    发射模块软件主要完成对发射模块硬件的初始化、对温度、加速度、压力等测量值的预处理、对数据的编码、对数据的发射等功能：接收模块软件主要完成对接收模块硬件的初始化、对数据的接收、对数据的解调、对数据的处理、对轮胎状态的显示、声光报警及报警显示等功能。图4是系统软件的功能框图。

2．1 发射模块软件设计
    发射模块软件程序的主要工作为系统的初始化、对温度、压力、加速度、电压等检测的控制、对测量数据的简单预处理以及编码发射控制。其主程序流程图如图5所示。

    MCU绝大多数时间处于停止模式下，这是因为处于此状态下的MCU系统功耗最小。通常是传感器MPXY8300进入STOP模式时，由其内部低频振荡器定时，每隔一定时间向其内部的MCU发出一个低频唤醒信号。这个低频唤醒信号使微控制器脱离低功耗的停止(STOP)模式，并在每次唤醒后立即开始测量压力、温度、加速度等量。

    发射模块测量部分流程图如图6所示。轮胎发射模块上电复位后，先测量加速度，读取补偿后的加速度，如果加速度为0，则汽车处于停止状态，不测量数据，也不发送数据，测量和处理程序进入停止模式，等待启动。设置MPXY8300为待机模式，定时一段时间后唤醒MPXY8300进入工作模式，再重新测量实时的加速度。[!--empirenews.page--]
2．2 接收模块软件设计
    在轮胎压力监测接收模块上电后，首先初始化微控制器MC68HC908Kx8，然后初始化接收器MC33596。初始化后确认所有的配置都有效并且都准备就绪后，所有LED都闪烁一下，表明接收模块所有准备工作已经做完，可以开始工作了。图7是接收模块的主程序流程图。

    为了确保数据的准确性，剔除错误数据，微控制器收到数据帧后，都会重新计算该数据帧的校验和，与已接收到的数据的校验和进行比较，从而判断此次数据帧是否正确，在确认该帧的校验和无误后，收到数据后MCU解码出发射模块的ID号、压力值、温度值等信息，再将帧内的轮胎ID同存在微控制器存储器中的4个轮胎ID进行比较，看看是否一致，若不一致，则丢弃数据，若发现哪个ID是与其相匹配的，就把该数据帧的状态信息存入为保存这个位置轮胎的状态信息而保留的RAM单元中，并处理相应的轮胎压力、温度等数据，在压力、温度等超出正常范围时可以准确、及时地报警。
    数据处理在接收到数据并检验正确之后进行，首先要保存接收的数据，保存当前的温度、压力等的采样值，历史采样压力、温度值依次移动，然后进行压力、温度等信号的单位变换，再把温度压力等转换值保存，判断是报警还是循环显示温度、压力值，最后把轮胎无数据计数器清零，完成数据处理。程序框图如图8所示。

3 结论
    TPMS是驾驶者、乘车者的生命安全保障预警系统，在硬件设计上，采用集成化芯片，保证模块要求体积小、重量轻，保证系统可靠性和减少模块功耗。在软件设计上，完整地实现了TPMS的各项功能，使其具有智能化的测量监控功能。