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【摘要】汽车轮胎压力监控系统（TPMS），主要用于在汽车行驶时实时地对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，本文设计了一种基于MPXY8020A传感器、无线发射芯片MC33493的直接式胎压监控系统，给出了硬件电路，该系统符合NHTSA 轮胎压力监测装置标准，在交通安全方面有较好的应用前景。
【关键词】胎压监控；MPXY8020；RF发射与接收器；M68HC908RF2
1、引言
据美国汽车工程师协会（Society of Automotive Engi2neers： SAE）的调查统计表明，美国每年有26万起交通事故是由于轮胎故障造成的，而75%的轮胎故障是由于轮胎压力不足或渗漏引起的[1]。在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达80%。如何防止爆胎已成为车辆安全防范的一个重要课题。
根据国家橡胶轮胎质量监测中心分析，保持在正常的轮胎内压力（ 简称胎压） 和胎内温度（简称胎温）下行驶是防止车辆爆胎的关键。轮胎压力监控系统TPMS（Tire Pressure Monitoring System）可实时监控胎内的压力和温度信息，为汽车的安全行驶提供保障。
2、TPMS工作原理
本文设计了一种直接式TPMS，由远程轮胎压监视模块RTPM（Remote Tire ressure Monitoring）和车载接收模块组成，RTPM模块直接安装在无内胎轮胎钢毂上，测量轮胎压力和温度，并将测量得到的信号通过高频无线电波（RF）发射出去。一个TPMS系统通常有4个或5个（包括备用胎）RTPM模块。车载接收模块接收RTPM 模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，在异常时报警提醒驾驶者采取必要的措施。
2.1RTPM模块工作原理
RTPM模块主要由压力/温度传感器、微处理器和RF射频发射电路组成。微处理器进行压力、温度的测量以及RF发射控制和电源管理；RF射频发射电路将检测到的压力、温度数据无线发射出去。
2.2车载接收模块工作原理
车载接收模块主要由RF接收电路、微处理器、计算机显示报警装置等组成。RF接收电路接收RTPM模块发射的压力、温度数据信号， 识别变换处理后送到计算机显示或报警。
3、TPMS系统硬件设计
3.1远程轮胎压力监视模块设计
3.1.1传感器选择
压力/温度传感器是整个TPMS系统的关键元件，数据的准确采集和发射是系统功能实现的决定因素，本系统采用的是MPXY8020A[2]，该器件是Motorola公司为测量汽车胎压和胎温而设计的高度集成芯片能够测量0～637.5Kpa的胎压和-40℃～+125℃范围内的胎温，主要包括硅集成式压力检测单元、温度检测单元、SPI串行数据接口、DAC数/模转换器、模拟值比较电路及待机唤醒电路等。MPXY8020A满足轮胎模块特殊工作环境对传感器的要求。
3.1.2微控制器的选择
M68HC908RF2是M68HC908家族低功耗，高性能的8位MCU，它内部集成68HC908FlashMCU和RF发送器MC33493。因为它为低功耗特别优化，特别适用于无线传输设计[3]。
3.1.3发射芯片的选择
由于M68HC908RF2芯片中集成了發射芯片MC33493，MC33493是Motorola公司的一款数据传输用PLL谐的UHF发射器芯片，频率为315～434MHz和868～928MHz，具有FSK和OOK调制。其电源电压为1.9V～3.6V，符合ETSI标准。
MPXY8020的S0和S1分别与RF2的PTA2和PTA1连接，PTA口是RF2的一般输入输出引脚，可以复用为外部键盘中断，在此系统中它作为一般IO口，由RF2控制它的工作模式，MPXY8020的DATA和CLK分别与RF2的PTA5和PTA4相连，这两个引脚是其内部D/A转换存储器的串行接口，其中DATA是数据线，CLK是时钟线。这两个引脚和许多Freescale 的MCU上的SPI总线兼容。在RF2中没有SPI总线，我们可以用软件模拟。当使用这两个引脚时MCU是主设备，而MPXY8020是从设备，所以数据传输仅仅是从控制器到传感器。
MPXY8020的OUT引脚与RF的PTA3相连。基于不同的工作模式，OUT引脚有4种不同的功能。在输出模式，OUT与采样的模拟比较器相连。当D/A比较器中的值低于采样值时，OUT输出高电平；反之，OUT输出低电平。MCU通过DATA，CLK和OUT可以准确确定出测量值。在待机模式，OUT每隔一段时间输出一个低电平，这个电平可以唤醒处于停止模式或者等待模式中的MCU。另外在所有模式下，该引脚都有自动防止故障功能，能够发出类似复位引脚输出的信号。
RF2发射部分完全由其自身PTB口控制。BAND与PTB0相连用于选择频带，MODE可以用来选择调制方式，它与电源相连，故调制模式是FSK方式。FSK方式抗干扰能力很好，适用于轮胎中的恶劣环境。选择不同的晶振和锁相环分频率就可唯一确定系统调制频率。
3.2车载接收模块设计
3.2.1芯片选择
微处理器采用Motorola公司的MC68HC908LJ12[4]，射频接收器采用Motorola公司的MC33594。MC33594是专门为射频发射芯片MC33493配套的射频接收/数据解调芯片，其工作频带为314MHz和434 MHz；数据速率为1～10.6kbaud（即1～10.6 kb/s）；RF灵敏度为-l05 dBm；中频带宽500kHz；MC33594最快唤醒时间为1ms。
MC33594通过SPI总线接口与中央处理模块通讯，当接收模块被匹配的射频信号唤醒，MC33594接收前两个字节的曼彻斯特编码，解码判断该两字节是否为初始化设置的接收同步码，如果为同步码，则向中央处理模块申请SPI中断，接收余下字节，并将余下字节除冗余校验字节外的八字节传送给中央处理模块。
MC33594与MC68HC908LJ12通讯是以SPI主方式进行通讯，因此通讯的频率由MC33594控制。
C8和R7的值决定选通振荡器的周期，取C8，R7值分别为68nF和470kΩ，保证选通振荡器周期为3.8ms，C19为FSK调制低通滤波电容，其对应数据速率的取值范围如下表1所示：
4、结论
本文设计了一种低功耗的直接式TPMS方案，硬件上高度集成的射频系统级芯片，可降低系统功耗，工作于待机模式的传感器芯片增强了系统的模式化管理功能，为软件的低功耗管理提供了硬件支持。软件上RTPM子程序采用看门狗中断唤醒模式以及对非工作环境和连续数次检测数据相同等情况的判断处理，使得功耗相对较大的传感器和射频器件通常处于休眠状态，仅工作于毫秒级时间内，有效降低了系统功耗，同时保证了电池使用年限。
【关键词】胎压监控；MPXY8020；RF发射与接收器；M68HC908RF2
1、引言
据美国汽车工程师协会（Society of Automotive Engi2neers： SAE）的调查统计表明，美国每年有26万起交通事故是由于轮胎故障造成的，而75%的轮胎故障是由于轮胎压力不足或渗漏引起的[1]。在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的，而在美国这一比例则高达80%。如何防止爆胎已成为车辆安全防范的一个重要课题。
根据国家橡胶轮胎质量监测中心分析，保持在正常的轮胎内压力（ 简称胎压） 和胎内温度（简称胎温）下行驶是防止车辆爆胎的关键。轮胎压力监控系统TPMS（Tire Pressure Monitoring System）可实时监控胎内的压力和温度信息，为汽车的安全行驶提供保障。
2、TPMS工作原理
本文设计了一种直接式TPMS，由远程轮胎压监视模块RTPM（Remote Tire ressure Monitoring）和车载接收模块组成，RTPM模块直接安装在无内胎轮胎钢毂上，测量轮胎压力和温度，并将测量得到的信号通过高频无线电波（RF）发射出去。一个TPMS系统通常有4个或5个（包括备用胎）RTPM模块。车载接收模块接收RTPM 模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，在异常时报警提醒驾驶者采取必要的措施。
2.1RTPM模块工作原理
RTPM模块主要由压力/温度传感器、微处理器和RF射频发射电路组成。微处理器进行压力、温度的测量以及RF发射控制和电源管理；RF射频发射电路将检测到的压力、温度数据无线发射出去。
2.2车载接收模块工作原理
车载接收模块主要由RF接收电路、微处理器、计算机显示报警装置等组成。RF接收电路接收RTPM模块发射的压力、温度数据信号， 识别变换处理后送到计算机显示或报警。
3、TPMS系统硬件设计
3.1远程轮胎压力监视模块设计
3.1.1传感器选择
压力/温度传感器是整个TPMS系统的关键元件，数据的准确采集和发射是系统功能实现的决定因素，本系统采用的是MPXY8020A[2]，该器件是Motorola公司为测量汽车胎压和胎温而设计的高度集成芯片能够测量0～637.5Kpa的胎压和-40℃～+125℃范围内的胎温，主要包括硅集成式压力检测单元、温度检测单元、SPI串行数据接口、DAC数/模转换器、模拟值比较电路及待机唤醒电路等。MPXY8020A满足轮胎模块特殊工作环境对传感器的要求。
3.1.2微控制器的选择
M68HC908RF2是M68HC908家族低功耗，高性能的8位MCU，它内部集成68HC908FlashMCU和RF发送器MC33493。因为它为低功耗特别优化，特别适用于无线传输设计[3]。
3.1.3发射芯片的选择
由于M68HC908RF2芯片中集成了發射芯片MC33493，MC33493是Motorola公司的一款数据传输用PLL谐的UHF发射器芯片，频率为315～434MHz和868～928MHz，具有FSK和OOK调制。其电源电压为1.9V～3.6V，符合ETSI标准。
MPXY8020的S0和S1分别与RF2的PTA2和PTA1连接，PTA口是RF2的一般输入输出引脚，可以复用为外部键盘中断，在此系统中它作为一般IO口，由RF2控制它的工作模式，MPXY8020的DATA和CLK分别与RF2的PTA5和PTA4相连，这两个引脚是其内部D/A转换存储器的串行接口，其中DATA是数据线，CLK是时钟线。这两个引脚和许多Freescale 的MCU上的SPI总线兼容。在RF2中没有SPI总线，我们可以用软件模拟。当使用这两个引脚时MCU是主设备，而MPXY8020是从设备，所以数据传输仅仅是从控制器到传感器。
MPXY8020的OUT引脚与RF的PTA3相连。基于不同的工作模式，OUT引脚有4种不同的功能。在输出模式，OUT与采样的模拟比较器相连。当D/A比较器中的值低于采样值时，OUT输出高电平；反之，OUT输出低电平。MCU通过DATA，CLK和OUT可以准确确定出测量值。在待机模式，OUT每隔一段时间输出一个低电平，这个电平可以唤醒处于停止模式或者等待模式中的MCU。另外在所有模式下，该引脚都有自动防止故障功能，能够发出类似复位引脚输出的信号。
RF2发射部分完全由其自身PTB口控制。BAND与PTB0相连用于选择频带，MODE可以用来选择调制方式，它与电源相连，故调制模式是FSK方式。FSK方式抗干扰能力很好，适用于轮胎中的恶劣环境。选择不同的晶振和锁相环分频率就可唯一确定系统调制频率。
3.2车载接收模块设计
3.2.1芯片选择
微处理器采用Motorola公司的MC68HC908LJ12[4]，射频接收器采用Motorola公司的MC33594。MC33594是专门为射频发射芯片MC33493配套的射频接收/数据解调芯片，其工作频带为314MHz和434 MHz；数据速率为1～10.6kbaud（即1～10.6 kb/s）；RF灵敏度为-l05 dBm；中频带宽500kHz；MC33594最快唤醒时间为1ms。
MC33594通过SPI总线接口与中央处理模块通讯，当接收模块被匹配的射频信号唤醒，MC33594接收前两个字节的曼彻斯特编码，解码判断该两字节是否为初始化设置的接收同步码，如果为同步码，则向中央处理模块申请SPI中断，接收余下字节，并将余下字节除冗余校验字节外的八字节传送给中央处理模块。
MC33594与MC68HC908LJ12通讯是以SPI主方式进行通讯，因此通讯的频率由MC33594控制。
C8和R7的值决定选通振荡器的周期，取C8，R7值分别为68nF和470kΩ，保证选通振荡器周期为3.8ms，C19为FSK调制低通滤波电容，其对应数据速率的取值范围如下表1所示：
4、结论
本文设计了一种低功耗的直接式TPMS方案，硬件上高度集成的射频系统级芯片，可降低系统功耗，工作于待机模式的传感器芯片增强了系统的模式化管理功能，为软件的低功耗管理提供了硬件支持。软件上RTPM子程序采用看门狗中断唤醒模式以及对非工作环境和连续数次检测数据相同等情况的判断处理，使得功耗相对较大的传感器和射频器件通常处于休眠状态，仅工作于毫秒级时间内，有效降低了系统功耗，同时保证了电池使用年限。