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轮胎模块天线基于MPXY83OO的TPMS的设计

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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(汽车轮胎压力监视系统)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。
本文是基于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。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。接收模块完成信号的接收、解调、处理、判断、显示和报警等功能。

1 系统组成
TPMS的发射模块由MPXY8300、电源和发射天线组成。MPXY8300是飞思卡尔推出的最新集成度很高的胎压检测芯片,内部集成了温度、压力、加速度和电压传感器、信号补偿调理电路、8位微控制器、RF发射器等,集成度高,性价比高;电源用放电电压平稳、自放电极低、高温和低温特性都好的锂亚电池供电;天线用体积小、成本低、功耗小的小环天线。
接收模块由接收芯片MC3 3 596、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。

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2 发射模块电路
2.1 发射电路
发射电路如图2所示。NX3225为16.0132MHz的晶振,为MPXY8300提供时基。载波频率为434MHz,数据传输速率9600b/s,数据采用曼彻斯特编码,调制方式为频移键控。轮胎数据以数据帧发送,数据帧格式为前导码+设备ID+压力数据+温度数据+状态+校验码+停止位。汽车在高速运动时轮胎内的电磁、温度、湿度、压力等情况十分复杂,所以该模块的设计要按军用级产品的要求来选择元器件,安装在轮胎上的轮胎压力、温度实时检测和数据处理及发送系统装置的所有器件、材料都要满足一40℃到+125℃的使用温度范围。MPXY8300系列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。综合比较传感器的各种性能、考察供货情况、资料获得情况,选择MPXY8300为设计TPMS的传感器。

2.2 发射模块电源
由于轮胎发射模块是安装在轮胎内部,无法利用汽车电源,所以只能采用电池供电。轮胎发射模块的环境非常差,要耐高低温、防潮、抗冲击震动、抗离心力作用、抗电磁干扰、抗高气压,对电池的影响很大。这就对作为轮胎模块的电源的电池提出了更高的要求,电池的使用寿命,关乎发射模块的寿命、稳定性、数据发送的准确性等,甚至关乎系统的寿命。
目前工业用电池主要有三类:锂亚电池、锂锰电池及锂氟电池。三种电池的特性比较如表1所示。从表中可以看出,锂亚电池放电电压平稳,自放电极低,高温和低温特性都好,能量体积比最高,瞬间放电脉冲比小,价格适中,满足TPMS设计需要。

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2.3 发射天线
轮胎压力监测系统的发射模块安装在轮胎的内部,轮胎的胎面、轮毂、子午胎的钢丝都会影响到天线的工作。系统还要求体积小、质量轻、成本低、功耗小。小环形板载天线是一种结构简单的天线,体积小、质量轻、成本低、安装牢固,因此,在汽车轮胎压力监测系统方案中,选用小环形板载天线来发射射频信号。小环形板载天线的周长小于所发射信号波长的1/10,辐射场与环的面积、匝数和环上的电流成正比,与工作波长的平方和距离成反比,与环的形状关系不大。小环板载天线电场和磁场的形式类似于无限小偶极子的电场和磁场,在垂直于天线平面的方向没有分量,在天线平面上具有最大分量。在TPMS系统中,将接收天线安装在小环板载天线平面上,可使系统获得最佳的传输效果。


3 接收模块电路
3.1 接收电路
接收模块的核心是UHF接收芯片MC33596,MC33596支持304MHz到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。

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3.2 接收电源电路
安装在驾驶室内的接收系统,所处的温度、压力等工作环境相对比较稳定,其工作电源的提供可以有多种选择。考虑到系统的适用性,兼顾了车载供电和电池供电,系统的接收电路的工作电压为5V,采用MC7805三端稳压芯片,一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V,否则不能输出稳定的电压,一般应使电压差保持在4~5V的输入是7~25V,输出为5V,满足本系统需要。设计电路如图4所示。

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3.3 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。

4 结论
轮胎压力监测系统是驾驶者、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,保证模块体积小、重量轻,保证系统可靠性和减少模块功耗。

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