基于ZigBee技术的新型TPMS设计

基于ZigBee技术的新型TPMS设计

汽车轮胎压力监视系统(TPMS)是一种能对汽车轮胎气压进行自动检测，并对胎压异常情况进行报警的预警系统。本文结合ZigBee技术的低成本、低功耗、设备地址唯一等优点，将轮胎内部安装的压力、温度传感器组成一个微型ZigBee网络。

监测网络总体设计
ZigBee技术是新兴的一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的无线通信技术。它基于IEEE 802.15.4协议标准，主要工作在免授权的2.4GHz频段，数据速率为20～250Kb/s，最大传输范围在10～75m。ZigBee网络中定义了两种物理设备类型:全功能设备 (FFD)和精简功能设备 (RFD)。其中，FFD支持任何拓扑结构，可以充当网络协调器，能和任何设备通信；RFD不能完成网络协调器功能，且只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信，但它的内部电路比FFD少，因此实现相对简单，也更利于节能。

直接式TPMS系统利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎的气压，通过无线或者有线的方式将数据传到安装在驾驶台的监视器上，监视器实时显示各个轮胎的状况，一旦出现异常，系统就会自动报警以提醒司机进行及时处理。本监测网络就是一种直接式TPMS系统。

ZigBee监测网络原理框图如图1所示，该监测网络包括四个轮胎监测器和一个车载监视器。工作原理：四个轮胎监测器是RFD网络节点，安装在轮毂上，能实时检测轮胎内的温度和压力值并发送到车载监视器显示；驾驶员也可以通过车载监视器主动访问各个轮胎的气压状态。车载监视器是FFD设备，充当网络协调器，通过无线方式接受各轮胎的压力、温度和监测器状态，并通过显示设备进行实时显示或声光报警。由一个FFD网络协调器和四个RFD终端节点共同组成一个星型拓扑结构的微型ZigBee胎压监测网络，射频方式符合IEEE 802.15.4协议标准。

图1 监测网络原理框图

监测网络硬件方案设计
该监测网络中包括两种硬件模块：轮胎监测器和车载监视器。基于ZigBee技术的原理和特点，本文以Chipcon公司的系统级芯片CC2430为核心，设计了轮胎监测器和车载监视器的硬件电路，如图2所示。

a) 轮胎监测器

b) 车载监视器

图2 硬件模块框图

1 射频处理芯片选型
射频处理单元是无线轮胎监测器模块的核心部分。由于轮胎监测器安装在轮毂上，采用能量有限的锂电池供电，因此射频处理芯片需具有以下特点：功耗低、体积小、支持IEEE 802.15.4标准。

根据以上特点，并经过分析比较，最终选用了CC2430这款系统级芯片。CC2430是Chipcon公司生产的2.4GHz射频芯片，符合IEEE 802.15.4标准，传输速率最高250Kb/s，采用具有内嵌闪存的0.18μm CMOS标准技术，休眠模式功耗仅0.9μA，集8051内核与无线收发模块于一体，简化了电路的设计，且尺寸只有7mm×7mm。

2 压力温度传感器选型
汽车轮胎特殊的工作环境，决定了胎压监测传感器的高要求，即低功耗、宽温区、宽电源电压范围内较高的精度和可靠性。本设计选用了Infineon公司的硅压阻式压力传感器SP12，其工作电压1.8～3.6V，具有压力范围100～450kPa、温度范围-40℃～125℃的测量能力。

3 车载监视器设计
如图2所示，车载监视器同样以CC2430为核心，负责射频数据的收发、显示和报警。显示屏为定制的LCD字符型段码屏，通过I/O口模拟I2C与单片机通信，屏上有左前轮、左后轮、右前轮、右后轮以及温度超限、气压低、气压高等可视化图标，再配合蜂鸣器和发光二极管，非常方便驾驶员对轮胎运行状态的掌控。三向键作为一个人机交互的窗口，可通过手动操作查看特定轮胎的运行状态，或设置温度、气压报警门限值。因为车载监视器采用汽车电源供电，因而低功耗设计上的考虑可相对少一些。

4 电路抗干扰措施
由于是高频电路，克服器件的相互干扰尤为重要，为保证系统长期稳定、可靠的运行，建议在电路设计中采取以下措施。

● 采用四层PCB，顶层主要走信号线，顶层下面依次是是地平面层、电源平面层和底层，为防止高频信号的辐射和串扰，应尽量缩小信号回路面积，同时采用多点接地，降低接地阻抗。

● CC2430芯片底部必须采用少量过孔与地相连，保证芯片体可靠接地。

● 去耦电容必须尽可能靠近3V和1.8V电源引脚，并且电容接地端通过过孔就近接地，去耦电容的充放电作用使集成芯片得到的供电电压比较平稳，减少了电压振荡现象。

● 芯片外围器件的尺寸应尽可能的小，建议使用0402规格的阻容器件。

● 将CC2430和SP12未用的信号输入引脚通过一个10kΩ电阻上拉到高电平或下拉到低电平，因为开路的输入端有很高的输入阻抗，很容易受外界的电磁干扰使悬浮电平有时处于“1”，有时处于“1”到“0”的过渡状态，易引起逻辑电路的误导通。

监测网络软件方案设计
对于胎压监测网络的软件设计，有以下三个关键技术需要解决。

1 如何识别轮胎
为降低数据帧的长度，降低功耗，本设计没有采用IEEE 802.15.4规定的标准帧格式，而是对其进行了简化，如表1所示。在胎压监测ZigBee网络中，四个轮胎监测器的地址分别为0x01、0x02、0x03、0x04，车载监视器的地址设为0x88。当车载监视器接收到一帧数据后，只需根据源地址域的内容即可判断是哪一个轮胎的检测数据。