基于智能传感器MPXY8320A的TPMS系统设计策略

基于智能传感器MPXY8320A的TPMS系统设计策略

1 TPMS系统的发展历史和趋势
1．1 TPMS系统的发展历史
    国际市场，1997年，通用汽车公司开始使用间接式汽车胎压监测系统TPMS(Tire Pressure Monitoring System)；2000年5月，直接式TPMS在美国上市；2002年发布的世界新车资料中显示，美国福特公司的林肯大陆、戴姆勒一克莱斯勒公司今年夏天上市的道奇(Dodge)迷你厢型车及Chrysler300M等系列车型，都将装设直接式TPMS。许多欧洲的汽车厂商也已将直接式TPMS配装于自己的中高档车型之中，其中包括宝马公司的Z8、欧宝2002年版威达、雪铁龙公司的C5，阿斯顿·马汀公司的超级跑车Vanquish、旁蒂克的旗舰Bon nevllleSE等等。国内汽车制造巨头也已开始考虑将TPMS作为原厂装备的标准配置。2003年5月，日本ALPS电气公司从德国IQMobil GmbH获得了不使用电池的TPMS技术，并签订了独家专利授权合同。借用该技术开发的TPMS己通过欧洲和美国的电波法认证试验，并于2004年6月起提供工业样品，2005年量产供货。我国也在2000年前后通过引进技术的方式开始了TPMS的生产。
1．2 发展趋势
    直接式TPMS和间接式TPMS各有自己的优缺点。直接式TPMS可以随时测定每个轮胎内部的当前压力，很容易确定故障轮胎。间接式TPMS相对便宜，使用间接系统，己经装备了4轮ABS(每个轮胎装备1个轮速传感器)的汽车只需对软件进行升级；但是，目前这类系统没有直接系统准确率高，无法监测出多个轮胎同时缺压或高压的情况。显而易见，直接式TPMS更有效，因此，目前直接式TPMS正逐步取代间接式TPMS而成为轮胎气压监测系统的主流。但是，有源MEMS式TPMS传感器／发射器需要电池提供动力，因此不可避免地带来一些弊端，如电池的寿命有限和电池的存在很难降低发射器的重量等。从长远来看，无源MEMS式TPMS以其无可比拟的优点将成为未来TPMS发展的趋势。

2 无源化
    如果胎内模块可以实现无源(即无电池)，则上述问题都可以迎刃而解。为达到以上目的，下面主要阐述TPMS无线无源化发展的几个实现方案：
    ①轮胎内模块有发电装置，将轮胎运动的机械能转化为电能。此为压电发电方案。
    ②从轮胎外通过电磁场传入能量，驱动轮胎内模块工作，发射压力信息。此为磁场电磁耦合方案。
    ③轮胎外发射电磁波，碰到轮胎内模块内置器件后反射，同时携带回压力信息。此为声表面波无源无线传感器方案。

3 外置编码存储器轮胎定位
    外置编码存储器轮胎定位技术是一种新型的TPMS轮胎定位技术。采用外置编码存储器的TPMS同样由发射检测模块和接收显示模块组成，其特征在于接收显示模块接有插入式编码存储器，每个发射检测模块均有一个固定的ID码，与对应编码存储器的ID码一致。轮胎换位或者更换时，只需调换或更换插入式编码存储器。外置编码存储器式轮胎定位技术，通过调整显示模块编码存储器中的ID码与每个发射检测模块中的ID码的对应关系，将重新识别身份的问题转换成ID码的换位设置问题，是简单、有效的解决方案。其插头插入的操作方式简单可靠。通过I／O读人插入式编码存储器电路中的编码，避免了用无线方式读入ID编码，从根本上解决了干扰的问题，实现原理如图1所示。

    系统在工作时，中央接收、处理模块先依次读取外置编码存储器中的ID码，然后重新设置存储在接收显示模块存储器中的ID码与轮胎对应定位关系信息，并予以保存。一旦中央模块接收到轮胎检测模块发射过来的信息，马上将接收到的信息解码。在获取其中的ID码后，根据前面设定的ID对应定位关系信息即可判断出是来自哪一个轮胎中的发射检测模块，并执行相应的显示等动作。外置编码存储器的设计可以分为接口电路和ID存储器两部分：接口电路作为外置存储器和主控制器的连接接口，根据汽车的应用环境，要考虑接口的可靠性、抗震性需要；存储器可以采用移位存储器(简单、需要主控制器I／O口少、读取速度稍慢)、矩阵存储器(读取速度快、占用主控制器I／O口多)或者SIM卡和IC卡(可靠性高、体积小、成本高)的形式。综合考虑，本系统采用移位存储器。工作流程为：每当安装新轮胎或者轮胎换位，立即切换到ID读入操作界面，将相应外置编码存储器插上读取接口，进行ID的读入工作并分配其所属轮胎位置。读取完毕，可以取下外置存储器(卡)。

4 TPMS系统
4．1 基本原理
    由安装在轮胎内部的检测模块，实时测量胎内压力、温度，并将压力、温度信号通过无线方式发送出去。安装在驾驶室内的主控模块接收无线信号，经过数据处理，再由显示装置显示出测量结果，实现行驶过程中轮胎状况的实时监控。TPMS基本结构如图2所示。

4．2 硬件设计方案
    主控制器电路原理如图3所示。主控制器模块采用稳定、可靠的微控制器C8051F531A，其内置振荡电路和增强型的SPI接口，外扩SPI无线接收芯片MC33594和操作简单、方便的并行液晶模块。

    检测模块由胎压测量专用高集成芯片MPXY8320A微控制器和电源组成，检测模块电路原理如图4所示。MPXY8320A工作在DC 2．1～3．6 V，具有低功耗的效能以延长电池寿命。MPXY8320A最大的特点是，其内部集成了8位MCU、适应载重型轮胎的压力传感器、温度传感器、供电电源电压监测、X-Z轴上的加速度传感器以及RF发送模块，所以MPXY8320A是一款专为交通工具胎压测量而设计的高集成芯片。由于器件的高集成度，在体积上、功耗上、电磁兼容性方面都有很出色的表现。

5 软件设计方案
   主要软件模块的程序流程如图5所示。