在內置模擬前端的單片機PIC16F639 的基礎上設計出一種可低頻喚醒的 TPMS 發(fā)射機，它通過低頻信號獲取操作指令信息，再通過高頻信號將測量數據發(fā)射出去。實現了TPMS發(fā)射機與駕駛員的雙向通信，提出了具體的硬件與軟件設計方案。

　　TPMS（Tire Pressure Monitoring System）是胎壓檢測系統(tǒng)的英文縮寫形式。這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在輪胎內的傳感器檢測輪胎壓力、溫度等參數，并通過無線方式實時準確地將測量值傳送給接收裝置，駕駛員通過液晶顯示器了解車輛的輪胎狀況，可有效降低因爆胎引發(fā)交通事故的幾率。

　　傳統(tǒng)的胎壓檢測系統(tǒng)一般采用定時喚醒或加速度喚醒的方式延長胎內發(fā)射裝置的使用壽命，駕駛員對胎內壓力檢測系統(tǒng)的啟動、暫停、檢測方式無法進行控制。同時，在傳統(tǒng)胎壓檢測系統(tǒng)中，將輪胎的定位信息寫入輪胎內 發(fā)射系統(tǒng) 的ID中，如果更換輪胎則需要對定位信息重新設置，否則系統(tǒng)無法正確反映輪胎位置。采用可低頻喚醒的TPMS，駕駛員可對檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行控制，通過設定輪胎的檢測順序，就可以解決輪胎的定位問題。

　　1 發(fā)射系統(tǒng)原理與解決方案

　　從圖1可知，發(fā)射系統(tǒng)主要由胎內傳感器、信號處理模塊、高頻發(fā)射模塊和LF接收模塊組成。其基本工作原理是：系統(tǒng)接收到低頻喚醒信號后，根據信號調理與譯碼所得指令調整系統(tǒng)的工作狀態(tài)，胎內傳感器將檢測量傳輸給MCU，再通過發(fā)射模塊以433.9MHz載頻發(fā)送出去。

　　1．1 傳感器

　　本系統(tǒng)選用Freescale公司的MPXY8020A型硅壓阻式壓力傳感器，其內部包括壓力、溫度傳感器，具有電源管理和數據輸出功能?？赏ㄟ^S0、S1引腳控制其工作模式，每隔3s通過OUT引腳發(fā)出370?滋s寬度的喚醒脈沖，約每52min通過/RST引腳發(fā)出一個復位脈沖[1]。

　　1．2 信號處理與低頻接收模塊

　　MicroChip公司的PIC16F639是一款帶有三通道模擬前端（AFE）的MCU，其模擬前端特性由MCU固件控制。由于使用方便，該器件可用于多種智能低頻檢測和雙向通訊應用中。因其具有工作電壓范圍寬、待機電流小、工作電流低等特點[2]，十分適合應用于胎壓檢測。其集成的三通道模擬前端可檢測低至1mV(峰-峰值)的125kHz輸入信號，具有三個天線連接引腳。通過連接指向X、Y和Z方向的三個天線，應答器可隨時接收來自任意方向的信號，從而降低因天線的方向性而造成信號丟失的可能性。各天線引腳的輸入信號的檢測是相互獨立的，并隨后相加。通過對配置寄存器進行編程，每個輸入通道可以被單獨使能或禁止。被使能的通道越少，器件的功耗就越小。

　　1．3 高頻發(fā)射模塊

　　發(fā)射模塊采用Maxim公司的MAX1479，可發(fā)射300MHz～450MHz的ASK和FSK數據，在FSK模式下采用Manchester碼可達到20kbps的數據速率。該芯片具有低電源電流（ASK模式下為6.7mA，FSK模式下為10.5mA)，僅200?滋s的啟動時間等優(yōu)點，非常適合應用于低功耗設計[3]。

　　2 TPMS發(fā)射系統(tǒng)硬件設計

　　TPMS發(fā)射系統(tǒng)硬件主要由發(fā)射芯片MAX1479、單片機PIC16F639和傳感器MPXY8020A構成，如圖2所示。模塊發(fā)射頻率為MAX1479外接晶振頻率的32倍頻，即需外接13.56MHz振蕩器。MODE引腳接高電平，為FSK調制模式。CLK0和CLK1引腳可以設置CLKOUT頻率輸出引腳的輸出頻率。DEV0、DEV1、DEV2引腳可為FSK調制模式設置頻率偏移，當DIN引腳為高電平時，PAOUT輸出高頻信號至天線。PIC16F639內置了三通道模擬前端，由于低頻發(fā)射基站與接收模塊位置相對固定，只需安裝一個低頻接收天線即可。接收天線為鐵氧體磁芯線圈，電感量為7.1mH，并聯220pF電容后，可在125kHz處諧振，并聯諧振阻抗最大，當發(fā)射線圈與接收線圈相互平行，即可最大限度地拾取有用信號。每個通道內還具有一個調節(jié)電容，可用來調節(jié)外部天線。此電容可通過寄存器配置電容大小，最大63pF，可1pF步進調整。LCCOM引腳為三通道的公共地。單片機使用內部已校準的8MHz振蕩器，可通過寄存器中IRCF位配置分頻系數，分頻后可得到低至31kHz的時鐘頻率。傳感器與單片機采用SPI串口方式連接，可以通過配置S1、S0引腳使傳感器工作于待機、測量壓力、測量溫度和讀數據這四個狀態(tài)。OUT引腳連接至RA1引腳，并每隔三秒發(fā)出喚醒脈沖，PORTA口電平變化引發(fā)中斷，將單片機從休眠模式喚醒。

　　3 發(fā)射系統(tǒng)軟件設計

　　3．1 RF傳輸協議

　　RF信號的傳輸采用曼徹斯特編碼，即一個數字信號值在每一個比特位周期內作高、低電平之間的切換，前半周期高電平后半周期低電平表示數字1，而先低后高表示數字0。MAX1479的 FSK模式最大數據傳輸率為20kbps，在本系統(tǒng)中采用9.6kbps的數據率。RF數據幀格式如表1所示。

　　(1)前導位：由連續(xù)的31個數字1接一個數字0組成，前導位可以使接收器識別出有效的RF信號，并可使接收器與發(fā)射信號頻率同步，因此可補償發(fā)射機振蕩頻率的誤差。前導位的位數可以不固定，位數長的前導位有利于提高接收器的靈敏度，而位數短的前導位有利于節(jié)省發(fā)送端功耗。

　　(2)發(fā)射機ID：每個發(fā)射機都有惟一的ID號碼，32位的長度可極大地避免出現兩個相同ID的情況。

　　(3)壓力值：壓力值采用8位無符號數表示，每一位代表2.5kPa。

　　(4)溫度值：溫度值采用8位無符號數表示，最低可測溫度為零下40度，每一位代表0.8度。

　　(5)狀態(tài)位：包括電池低壓檢測數據、傳感器的工作模式信息。

　　(6)校驗和位：校驗和長度為8位。其產生的方法是，發(fā)送時，對所有數據求異或結果再取反作為校驗和；接收時，對所有數據連同校驗和求異或求反，結果為0表示正確，否則錯誤，丟棄數據包。

　　3．2 LF傳輸協議與軟件流程

　　LF信號的傳輸也采用曼徹斯特編碼。由于 PIC16F639 模擬前端輸入調制頻率最高為4kHz,所以選擇1kHz作為LF輸入信號的數據頻率。LF數據幀格式如表2所示。

　　(1)AGC穩(wěn)定時間：這是一個持續(xù)的高電平脈沖，可將AFE從休眠模式喚醒，AGC模塊可以自動調整過強的輸入信號電壓，使之達到后續(xù)電路可接受的水平，AGC穩(wěn)定時間后，AGC穩(wěn)定于輸入信號電平。如果AGC穩(wěn)定時間不符合要求，AFE將被軟復位。

　　(2)喚醒濾波器脈沖：喚醒濾波器用來使能LFDATA輸出并喚醒單片機，但前提條件是在LC輸入引腳接收到特定的脈沖序列。這樣可以防止由于噪聲或不想要的輸入信號等原因而致使AFE喚醒單片機。喚醒濾波器脈沖的高持續(xù)時間和低持續(xù)時間分別由OEH、OHL位決定，通過SPI口編程。

　　(3)命令位：8位數據中的第1位將引起PORTA電平變化中斷使單片機從休眠模式喚醒，剩余的7位數據作為命令代碼。單片機通過定時采集RA4引腳電平，獲得相應數據，并通過與單片機預定義值進行匹配，產生相應動作狀態(tài)。

　　(4)校驗位：采用奇校驗方式，即當數據中1的個數為奇數時，則校驗位為0；否則校驗位為1。

　　(5)結束位：用兩個連續(xù)的數字0表示結束位，結束位采用NRZ編碼格式。

　　圖3是PIC16F639檢測低頻信號流程圖。當單片機上電后，可以通過SPI口對AFE的8個寄存器進行設置。打開PORTA電平變化中斷后進入休眠模式。當LC輸入引腳檢測到輸入信號，輸入的AGC穩(wěn)定時間電平超過20mV時將置位AFE狀態(tài)寄存器AGCACT位。如果輸入信號不到20mV，則不會激活AGC。由于只使用一個模擬通道，因此當檢測到輸入信號時，只置位WAKEY位。若AFE被喚醒后，超過16ms沒有信號輸入，則軟復位將使AFE重新回到休眠狀態(tài)。如果未使能喚醒濾波器，則后續(xù)接收到的信號將被AFE認為是有用信號，并直接從LFDATA引腳以數字量輸出。否則，后續(xù)信號必須滿足喚醒濾波器的時序脈沖要求。如果不滿足，且超過32ms沒有正確信號輸入將置/ALERT引腳低，并返回到休眠狀態(tài)。如果滿足，則通過LFDATA引腳喚醒單片機并輸出數據。單片機根據譯碼數據被重新配置。

　　3．3 發(fā)射模塊基本程序流程

　　當系統(tǒng)上電復位后，PIC16F639首先執(zhí)行初始化命令，隨后進入休眠等待狀態(tài)，如圖4(a)所示。當檢測到傳感器喚醒脈沖或LF的輸入信號時，系統(tǒng)退出休眠狀態(tài)。檢測到傳感器喚醒脈沖后，若滿足數據檢測條件，則單片機通過配置傳感器S1、S0模式選擇引腳 ，控制傳感器檢測壓力及溫度，并將讀取的數據通過SPI口傳至PIC單片機，判定是否滿足配置發(fā)射條件，系統(tǒng)默認的發(fā)送條件是30秒發(fā)送一次，但也可以通過低頻喚醒指令自行設置發(fā)射信號的時間間隔。當測量的壓力與溫度變化量超過閾值時，系統(tǒng)則會自動修改發(fā)送條件至快速發(fā)射模式，即將發(fā)射數據時間間隔縮短到800ms，使駕駛者可以實時掌握輪胎狀態(tài)，及時采取防范措施。當發(fā)射完成后，系統(tǒng)再次進入休眠狀態(tài)，以上基本流程如圖4(c)所示。如果系統(tǒng)被LF信號喚醒后，則首先對LF輸入的曼徹斯特編碼信號進行譯碼，根據譯碼信息重新配置發(fā)射條件與數據檢測的時間間隔，也可以控制 TPMS 發(fā)射系統(tǒng) 的啟動和暫停，如圖4(b)所示。

　　可低頻喚醒的TPMS發(fā)射系統(tǒng)具有低成本、低功耗、高集成度、具有雙向通信功能的特點，這使它比傳統(tǒng)TPMS更具市場競爭力。隨著TPMS在中國的普及，該系統(tǒng)將具有較大的推廣價值。

　　參考文獻

[1] Freescale Corporation.