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基于ZigBee技术的TPMS设计

作者:angelazhang时间:2015-02-07

 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。

  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。



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