论文导读：据有关专家的分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，而TPMS毫无疑问将是理想的工具。本文分析了基于MPXY8300的TPMS的系统结构，设计了基于该芯片的轮胎模块，分析了具体设计中应该注意的问题，最后总结了基于该芯片的TPMS方案与传统分立器件构成的方案相比的优点，指出这必将是一种非常有竞争力的设计方案。为了满足全球汽车的安全需求，实现精确的、及时的胎压监测，飞思卡尔半导体(freescale)于2008年推出了业内第一款包含一个电容式压力传感器，并面向超低功耗和精确测量的胎压监测系统的集成芯片MPXY8300。
关键词：MPXY8300，胎压监测系统，TPMS，汽车电子
0引言
TPMS(Tire Pressure Monitoring System)主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压和温度进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全，是驾车者、乘车人的生命安全保障预警系统[1]。
在汽车的高速行驶过程中，轮胎故障是所有驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。据统计，在高速公路上发生的交通事故有70%~80%是由于爆胎引起的。论文检测。怎样防止爆胎已成为安全驾驶的一个重要课题。据有关专家的分析，保持标准的车胎气压行驶和及时发现车胎漏气是防止爆胎的关键，而TPMS毫无疑问将是理想的工具。2000年11月1日美国总统克林顿签署批准了国会关于修改联邦运输法的提案，要求2003年11月后所有的新车都需把这种系统作为标准配置，2007年9月1日后在美国当地市场所有销售的车辆要求100%配备有TPMS功能。TPMS也由此成为继ABS和安全气囊之后的第三大汽车安全装置。2008年年中，欧盟委员会也对外宣布，从2012年开始，各类新车必须装备TPMS。在中国，相信在不久的将来也会有相关法案出台。可见，轮胎压力监测系统具有相当广阔的市场前景。
本文分析了基于MPXY8300的TPMS的系统结构，设计了基于该芯片的轮胎模块，分析了具体设计中应该注意的问题，最后总结了基于该芯片的TPMS方案与传统分立器件构成的方案相比的优点，指出这必将是一种非常有竞争力的设计方案。
1MPXY8300简介[2]
为了满足全球汽车的安全需求，实现精确的、及时的胎压监测，飞思卡尔半导体(freescale)于2008年推出了业内第一款包含一个电容式压力传感器，并面向超低功耗和精确测量的胎压监测系统的集成芯片MPXY8300。其结构见图1所示。该芯片提供了高度集成的、经济高效的解决方案，集先进的压力传感器、温度传感器、加速度传感器、电压传感器、信号调理电路、低频接收器/译码器、射频(RF)发送器和8位微控制器(MCU)于一身，只需最少量的外部组件，减小了系统尺寸，缩短了产品设计周期，大大降低了产品价格。
MPXY8300结合了大量低功耗技术，能够把TPMS电池的寿命延长到10年以上，完全满足FMVSS 138法规设计。
 图1MPXY8300结构框图
2TPMS系统结构
图2为基于MPXY8300的TPMS系统结构图。虚线框内为轮胎模块结构图，可见它只需要极少的外部元件，便可构成一个小系统，实现轮胎压力、温度，电池电压和汽车加速度的测量，可接收外部唤醒信号实现该模块的唤醒，并将测量的各种物理量通过编码调制以射频的形式发送出去。
图2 TPMS系统结构图
虚线框外侧为接收机结构框图。包括低频发送模块、射频接收模块、MCU以及显示报警部分。由于篇幅所限，后文只对轮胎模块和RF接收模块电路的设计进行了分析，其它部分可参考文献[3]。
3TPMS各个模块设计
3.1 轮胎模块设计
图3为基于MPXY8300的轮胎模块电路，该模块安装在轮胎内部，每个轮胎安装一个该模块。其中，U3为MPXY8300集成芯片，U2为22.0586MHz的NDK晶振NX3225，用于为MPXY8300提供时基。VCAP引脚所接电容C18为芯片内部电荷泵的储能电容，当不需要内部电荷泵为RF电路提供能量时，该引脚可悬空。JP1为该芯片在线调试的接口，与MPXY8300只有RESET和BKGD两个引脚相连。C22和L5组成谐振电路，用于接收低频125kHz的唤醒信号。L3、L4、C16、R4和C15组成射频发射匹配网络，由PCB小环天线L2发送。整个系统由TADIRAN公司的LTH2450锂亚电池供电。
通信频率采用ISM频段433.92MHz，调制方式为FSK(Frequency-shiftkeying)，通信波特率使用9600bps。
图3 轮胎模块电路
3.2RF接收模块设计
图4为RF接收模块电路，该模块安装在驾驶室内。RF接收模块解调芯片采用freescale的MC33594进行设计。该芯片采用LQFP-24封装，工作频率在300～450MHz频段，电压在4.5~5.5V范围内，接收灵敏度高达-103dBm。芯片最大的特点是带有串行外设接口SPI。通过SPI，它允许CPU与之以串行方式进行通信，交换信息。SPI接口使用四条线：串行时钟线(SCLK)，主机输入/从机输出数据线MISO，主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机复位RESET。
MC33594的协议与轮胎模块完全相兼容，采用与轮胎模块完全相同的参数设置。该芯片集成了混频器、中频带通滤波器和FSK解调方式，解调方式能通过SPI端口，应用微控制器进行选择。可以进行解调数据直接输出(DMDAT)，也可以进行SPI端口输出。
图4 RF接收模块电路
4设计中注意的问题
1）器件选择注意事项
由于TPMS轮胎模块工作在剧烈振动、环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性，能适应工作在-40℃~+125℃温度范围。为了缩小TPMS轮胎模块的体积、节省功耗和增强可靠性，需要尽可能的选用片上复合系统，如包含压力传感器、温度传感器、加速度传感器、MCU和射频芯片于一身的复合芯片MPXY8300。
TPMS是一个按工业标准设计、生产、检验，按消费电子产品价格销售的产品，因此产品的生产成本至关重要。产品的ESD保护要附合MIL-STD833的标准，即人体模式（HBM）>4KV。
2）发射天线的选择
天线是无线通信可靠性提升的关键，天线技术涉及天线的几何形状、材料、介质等诸多因素。TPMS轮胎模块的天线靠近气门嘴，位于轮毂内，因而在设计天线时必须考虑金属轮毂和轮胎金属丝网的屏蔽，以及车轮高速行驶时天线不断变换方向、角度的影响。螺旋天线可能是一种比较好的选择，它可扩大发射和接收的角度，有效地克服静动态盲点。另外，小环天线由于其采用PCB板铜线设计，可靠性高，成本低，在满足性能要求的前提下也是一种较好的选择。本系统采用小环天线进行设计[4]。
3）省电与唤醒功能的实现
为了使TPMS轮胎模块在一节锂电池下能工作3~5年，系统节电是一个十分重要的课题。在需要检测一次胎压时将轮胎模块唤醒，其余时间进入睡眠状态，便可实现节电功能，大大延长电池寿命。
唤醒功能的实现有以下三种方法：一是采用定时器唤醒，定时器按照程序设定的间隔唤醒轮胎模块开始一个工作周期，工作结束立即进入睡眠状态；二是通过加速度传感器唤醒；三是通过低频信号由接收机唤醒。三种方法可互相结合，实现系统的超低功耗设计。
4）TPMS的工作頻率
全球各国采用的ISM频段标准不同，因此根据TPMS销售国家的不同，必须采用不同的通信频率。TPMS的工作频率北美标准为315MHz，欧洲标准为433.92MHz，韩国为448MHz，已有人建议新标准为868MHz，我国参照欧标选用433.92MHz。论文检测。工作模式有ASK(Amplitude-shiftkeying))和FSK，FSK抗干扰较好，一般选用此工作模式。
5）轮胎换位轮胎模块免拆卸功能的实现
该功能的实现会为TPMS系统的安装，以及以后的轮胎维护提供很大方便。论文检测。有两种方法可实现：一是利用低频电磁波（LF）的近场效应实现，二是在驾驶室内的中央处理器上重新设定传感器的ID号码。相比较而言，第一种方法维护工作量小，对维修人员要求低，但是在没有低频唤醒模块的TPMS系统中只能采用第二种方法。
5结束语
基于MPXY8300的汽车轮胎压力监测系统与传统分离器件方案相比具有无可比拟的优越性：系统结构紧凑，体积小，功耗低，可靠性高，有效降低了系统成本，它必将成为汽车轮胎压力监测系统的一种非常有竞争力的设计方案。
参考文献：
[1] 颜重光. TPMS的设计方案思考[J]. 电子质量, 2005(7): 1-4.
[2] Freescale Semiconductor, Inc. Tire PressureMonitor Sensor Product Specification, MPXY8300 Series[Z], Datasheet, 2008.
[3] Freescale Semiconductor, Inc. MPXY8300Design Reference Manual [Z], 2008.
[4] 李兵强, 林辉. 轮胎压力监测系统中小环天线的设计[J]. 汽车工程, 29(3): 254-256.
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