基于MC68HC908RF2的TPMS监测发射模块节能设计

1、 收稿日期:2008 - 12 - 18作者简介:许师中(1968),男,福建人,工程师,主要从事汽车电子研究.基于mc68hc908rf2的tpms监测发射模块节能设计许师中(厦门厦华新技术有限公司,福建 厦门 361006)摘要:根据以mc68hc908rf2构成的tpms监测发射模块的方案设计,对tpms的工作原理进行了描述,并通过实际的数据测量,从硬件和软件设计2个方面进行分析讨论,力求得出对生产、 应用具有实际意义的tpms监测发射模块的节能设计方法.关 键 词:tpms; mc68hc908rf2 ;节能设计中图分类号:tp212;u463. 67 + 4文献标识码:a文章编号:1

2、671 - 0924(2009)02 - 0170 - 06power2saving design based on mc 68 hc908rf2 fortpmsmonitoring& transmittingmodulexu shi2zhong( xiamen xoceco new technic co. , ltd , xiamen 361006 , china)abstract : this paper designsthe mc68hc908rf2 2basedtpmsmonitoring and transmittingmodulesanddescribesthe worki

3、ng theoryof tpms. moreover, it discussespower savingfrom the aspectsof hardwareand s oftwaredesignsaccordingto actualdatameasurement s o asto getthe usefulandpractical tpmssavingpowerdesignof productionandapplication significance.key words : tpms;mc68hc908rf2;power 2savingdesign轮胎气压监测系统(简称 tpms ) 能实

4、时监测轮胎压力和温度等数据,对轮胎漏气、 气压过低或过高及高温进行报警. 美国公路交通安全局(nht2s a) 要求到 2007 年 ,所有在美国销售的小汽车都必须安装轮胎压力监视系统. is o 组织最近也推出了有关 tpms的国际标准. 近年来 ,车辆胎压监测系统在我国也引起了广泛重视,涌现了众多开发生产企业 ,因此全国汽车标准化技术委员会制定的 汽车轮胎气压监测系统(国家标准征求意见稿) 也于近期发布,其中监测发射模块里电池的使用寿命 、 节能设计等要求是标准里的主要内容.is o/fdis21750标 准 和 国 标 征 求 意 见 稿 都 规 定tpms的最小工作寿命是6 年或 10

5、 万 km,这就对国内众多的开发生产企业提出了较高的要求.第 23卷 第 2 期vol. 23 no. 2重 庆 工 学 院 学 报 (自然科学 )journalof chongqinginstituteof technology(natural science)2009年 2 月feb. 20091tpms纵观各有关公司开发设计的tpms系统 ,可分为如下两大类型1:一种是间接式tpms ( 简称ws b tpms ) ,另 一 种 是 直 接 式 tpms(简 称 ps btpms ) . 间接式 tpms系统主要通过汽车abs系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别,从而间接测量轮胎气压

6、,因准确性较差,现在已逐步淡出市场 . 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气压,通过无线通信的方式与装在驾驶室的接收主机进行通信,它又分为有源方案和无源方案.无源方案中轮胎内部传感器不使用电池供电 ,主要有压电发电方案、 磁场电场耦合方案、 声表面波无源无线传感器方案2 ,这些方案因目前的高成本及其他技术问题,大多仅处于实验室的阶段 . 有源方案即轮胎内部的监测发射模块用自带电池供电工作,这是当前市场的主导类型. 因为轮胎内恶劣的工作环境,所有组件 、 材料都要满足- 40 + 125 的使用温度和防腐蚀要求. 目前主流 tpms采用的传感器主要有3 种 :f

7、reescale的 mpxy8020a 和 mpxy8040 ,infineon的 sp12、 sp30及 sp12t,ge 的 npxi和 npxii. 下一代产品将是采用将传感器 、 mcu 和射频芯片整合一体的新技术产品,如freescale的mpxy8300系列 、infineon的sp35系列 、 ge的 npxiii 系列 . 这些传感器目前都已进入实验测试阶段,不久就可以正式进入市场.2mc68hc908rf2芯片3 - 4mc68hc908rf2mcu 是 freescale的低成本、高性能的8 位微控制器(mcu)m68hc08系列的成员之一 . mc68hc908rf2集成

8、了 mcu 和 uhf 发射芯片 ,采用小型的32 针脚小外形四方扁平封装(lqfp) ,非常适合用于轮胎气压监测系统的监测发射模块 .该封装由 2 部分组成 :第 1 部分是 2 kb闪存hc08mcu(等于mc68hc908rk 2);第2部分是射频发射器(等于 mc33493) ,在自由空间中能将数据传输几百米.mc68hc908rf2还有以下主要特 性 : 完 全 向 上 兼 容m6508、 m146805 和m68hc05 系列的对象代码; 最大内部总线频率为 4 mhz ; 128 字节的片上ram; 16 位的 2 通道定时器接口模块; 6 位键盘中断,带有唤醒功能 ; - 40

9、 + 125 的工作温度 .3 节能设计方向mc68hc908rf2已整合mcu 与 uhf 发射芯片 ,所以应用电路非常简洁. 在现有主流tpms设计中有不少生产商把它设计用于监测发射模块中 ,一般采用fsk调制方式发射数据信号,工作于433.92 mhz 的公共频率,标准输出率为5 dbm.它与传感器芯片组合形成tpms监测发射单元,主要有 2 种方案 :第1种方案是mc68hc908rf2+mpxy8020a5 (或 mpxy8040).mpxy8020a是一款8针脚的使用mems 技术制造的硅集成电容式传感器.它由一个变容压力传感器元件、 一个温度传感元件和一个接口电路组成,这 3 个

10、元件都集成在一块芯片中.mpxy8020a 封装使用超级小尺寸封装 (ss op) ,ss op 带有介质保护过滤器. 它具有以下特点 :有汽车级温度规范( - 40125 ) ;有50637.5 kpa(mpxy8040为 501275 kpa) 的压力测量范围 ;温度和压力传感器的数字(8 位) 输出 ;可以给单片机分别提供复位和中断唤醒信号;中断唤醒时间间隔为3 s; 复位信号出现间隔是52min左右 ;实现了模块级的能耗管理;功耗低等.mpxy8020a适用于面包车及小车.第 2 种方案是mc68hc908rf2 + sp126 (或sp12t,英飞凌 ) . sp12是一款14 脚使

11、用mems 技术制造的硅压阻式传感器,用于在100 450 kpa范围内进行压力测量. 它集压力、 温度 、 加速度3种传感器和电压测量于一体,具有一个数字串行通讯口 ,可以方便地应用在单片机系统中,以适应更加复杂的控制要求. 同时它的工作也不需要其他的外部器件.sp12可以给单片机分别提供复位和唤醒信号,唤醒时间间隔从1256 s之间可调整 ,复位信号出现间隔是52 min 左右 . 适用于面包车及小车 .171许师中 :基于 mc68hc908rf2的 tpms监测发射模块节能设计要延长 tpms监测发射模块的工作寿命,除了采用大容量电池(现在锂亚电池容量可以达到1 000 mah) ,对

12、模块加喷涂防护层以确保电路不漏电及不被腐蚀外,还可以考虑从电路和软件的节能设计方面入手,其中合理软件设计尤为重要,需要从多方面加以考虑.3. 1 电路设计方面由于 mc68hc908rf2已集成mcu 和 uhf 发射芯片 ,传感器与之构成的电路非常简洁. 起明显节能效果调整作用的地方是它的功率放大输出电流控制脚pin9(rext) ,它利用改变外接电阻的大小 ,可以在发射功率和电流损耗之间做权衡选择.rext的取值范围一般是12 21 k ,推荐典型值是 12 k . 根据 mc68hc908rf2手册 ,rext 与电流损耗 和 输 出 功 率 的 关 系 是 : - 0. 35 ma/

13、k 及- 0. 35 dbm/k ,即每增加1 k ,相应的电流损耗减少 0. 35 ma ,输出功率减小0. 35 dbm.在推荐值12 k 的正常发射时电流典型值是11. 6 ma ,输出功率典型值为5 dbm.当采用推荐的最大值21 k时 ,电流损耗减少3. 2 ma ,输出功率同时也减小3. 2 dbm左右 ,电流损耗减少了近30 % ,而输出功率减少 3. 2 dbm相对于整个无线传输链路的损耗和接收解码芯片的灵敏度(若配套的接收解码芯片为 mc33594,其接收灵敏度在fsk模式 、 频偏+ / - 80 khz、 中频带宽500 khz 条件下小于等于- 84 dbm) 影响是非

14、常小的.因此可以通过调高rext端外接电阻来达到降低电流消耗的目的.还可以采用冗余的机械式加速度开关. 当车速达到某个值时才接通电源,电路才开始工作,这样在小于特定车速情况下电路都不消耗电能. 但这对机械加速度开关的要求比较高,目前能满足要求的品种不多,一般使用台湾oncquecorporation的 vbs020200或美国 selectcontrols inc 的产品 (产品号 :2082/ 3098) .3. 2 软件设计方面tpms的软件流程较简单,只有 3 种主要功能 :测量 、 处理数据和传输,但需要高效算法处理程序以减少mcu运行时间和合理设置数据发送条件和提高发射效率. 监测发

15、射模块的运行流程参见图 1.图1监测发射模块工作程序框图tpms监测发射模块工作电流测量电路如图2,在实验室条件下测得几个由不同传感器芯片、工作状态下加在电流取样电阻上的电压波形,测量电路中取样电阻r= 9. 9,工作电压3. 6 v由高精度稳压直流电源提供. 图 3 是 mc68hc908rf2+ mpxy8020a 方案在一次中断唤醒时体现在取样电阻上的电压波形.图 4 是它在测量、 发射完整一帧数据的电压波形. 图 5 是 mc68hc908rf2 +sp12方案在一次中断唤醒时体现在取样电阻上的电压波形.图6是它在测量、 发射完整一帧数据后的 电 压 波 形 , 含 加 入 发 射 前

16、 的 随 机 延 时.mpxy8020a ,sp12方案的睡眠状态下模块工作电流分别为 0. 5a和0. 4a.图2trms监测发射模块工作电流测量电路表 1 是根据测得的数据进行计算处理的理论值 .根据上面的数据可以算出2 种方案每天消耗的电荷量分别为:对于 mpxy8020a(每 3 s 唤醒 1 次 ) ,q= 7.5?n1 + 211.3?n2 +qs对于 sp12(每 6 s唤醒 1 次 ,并扣延时部分) ,q= 26?n1 + 259.6?n2 +qs上2式中:n1为每天唤醒次数(扣除n2) ; n2为每天发射次数; qs=t?is为睡眠状态下模块消耗的电荷量.271重 庆 工 学

17、 院 学 报在 2 min 发射 1 次条件下,对于 mpxy8020a方案 ,n1 为280 80 ,n2 为 720,可以得到每天消耗电荷量q= 405.9 m c. 同理可得每3 min 发射 1 次条件下每天消耗电荷量为357 m c. 对于 sp12方案 ,2 min 或 3 min 发射 1 次的条件下每天消耗电荷量分别为577 m c 或 521 m c.图3mpxy8020方案唤醒测量时电流波形图4mpxy8020方案唤醒及发射过程电流波形图5sp12方案唤醒测量时电流波形图6sp12方案唤醒及发射过程电流波形表12种方案电能消耗比较方案mpxy8020asp12系统工作形式唤

18、醒一次唤醒含一次发射唤醒一次唤醒含一次发射系统工作状态测p其他测p, t发射其他测p其他测p, t延时发射其他工作时间/ ms1. 022214.35. 14. 842. 89. 85214. 47. 2平均工作电流/ ma3. 342. 073. 3413. 492. 293. 872. 593. 872. 2613. 92. 98消耗电量/ nc3. 44. 16. 7192. 911. 718. 77. 337. 9117. 5200. 221. 5次消耗电量(nc)7. 5211. 326377. 1注:表格中的“其他” 指单片机从被唤醒到测量数据前及处理数据这2个状态总称.从表 1和

19、计算结果可以明显看出: 发射时工作电流很大,每次发射需要消耗不少电能; 仅唤醒测量压力值一项,每天也要消耗大部分电能;每 2 min 与每 3 min 发射一次数据的方式每天消耗的电荷量相差不是很大; 发射中插入随机延时也要消耗不少电能.根据实验室测试数据得出来的监测发射单元工作寿命会明显低于实际寿命,这主要是与监测371许师中 :基于 mc68hc908rf2的 tpms监测发射模块节能设计发射单元的实际工作环境有关,如高 、 低温工作条件下电池容量减小,高温条件下工作电流增加和电池自放电现象加强,以及因环境恶劣造成电路漏电等等原因都会缩短监测发射单元工作寿命.而随着工作电压下降,实际工作电

20、流会略微下降.这些情况综合作用,虽然使得我们无法准确计算监测发射单元工作寿命,但还是可以依据主要因素 ,根据这些实际测量数据进行讨论分析,寻找实际可行的节能途径,以指导编写高效算法的运行程序 ,从而达到延长监测发射单元工作寿命目的.监测发射单元工作状态实际只有3 种 :睡眠 、 测量处理数据 、 发射数据 .睡眠状态下的电能消耗是无法控制的,只能由器件的性能决定,所以下面将就后 2 种工作状态和相关条件分别进行讨论.3. 2. 1 数据测量 、 处理状态首先 ,尽可能减少不必要的数据测量. 以上 2个方案都具有系统工作电压的测试功能,在低电压时能据此向接收机发送报警信息. 其实这只是一个噱头,

21、无实际意义,测量电压时系统的工作电流有 2 ma 多 ,而发射信号时系统的工作电流近14ma. 因供电电池的放电特性,在长时间工作后,虽测量数据时电压还在正常范围,可电池已无力提供发射信号时的电流.其次 ,尽量减少mcu 的运算处理时间. 在不少设计方案中,由于担心2 个以上监测发射模块同时或邻近发射数据带来的丢帧情况,都在发射数据前加入随机延时,其实这并不可能完全避免数据丢帧,反而带来无谓的能量消耗. 从上面数据可以看到,发射器工作时间在15 ms 内. 只要在这15 ms 内没有其他发射模块发射数据,就不易因数据信号重叠而产生丢帧问题. 发射时间间隔是由程序根据 mcu 被唤醒次数确定的,

22、唤醒信号是由传感器根据自己内部rc时钟系统定时产生,而这个时钟系统本身的精度就不高,每个传感器时钟系统偏离标准值大小不一,在一次同时或邻近发射后 ,下一次的发射时间就很容易错开. 另外约 52min左右系统会在传感器复位信号下初始化整个系统,因此,去掉随机延时后因同时发射或邻近发射而造成数据丢帧的几率改变很小,对系统正常使用影响甚微.3. 2. 2 发射数据状态发射数据状态下节能设计可以从以下4 个方面考虑 :1) 尽量缩短发射的工作时间. 这可以从2 个方面入手 :一方面减少需传输发送数据的长度;另一方面提高发送速率.而缩短发射时间同时又可以减少 4 个轮胎数据发送的冲突机会,但这需通过实验

23、测试 、 调整 ,以确保数据能被可靠接收.2) 设置合理的发射时间间隔. 既要考虑可能丢帧情况下接收到信号的间隔,又要考虑发射时间间隔太短造成对电池消耗太快的问题. 根据上面的数据和公式,可以计算在发射间隔更长情况下每天电荷量的消耗,并根据使用电池容量大小及产品设计使用寿命等综合考虑.3) 设置合理的发射条件.首先 ,由于产品生产后一般需要有一段时间才能卖到消费者手中,因此这段时间无需处理、 发射数据,这可以通过软件设置成只有气压达到某个值后才允许处理、 发送数据 .其次 ,考虑加速度传感器的实际使用需要.由于 mpxy8020方案没有加速度传感器,就不予讨论 .sp12内置加速度传感器用于测

24、量车速,测量时间需要 6 ms左右 .现在常见的是用于发射前,判断车辆运行状态而决定是否发射数据,这确实可以节省些电能 . 但从上面计算结果可以看到,每天消耗电能中唤醒运行状态消耗的电能占主要部分.基于用户的心理,一般都希望上车后很快就能看到轮胎状况,有些客户就提出不要使用测速功能.另外 ,加上测速功能后,对于成品质量检测会带来很多不便 . 所以以上这些实际情况是需要设计人员综合权衡考虑的.4) 设置合理的紧急发射帧数. 紧急发射是因漏气而使 mcu 处于连续工作状态,发射一帧数据后延时一段时间再接着发射下一帧,这样循环n次,从而保证紧急数据被可靠接收.假设n为10 ,延时时间为 0. 5 s

25、,根据表 1 可以算出,每次的紧急发射约耗 14 mc的电量 ,可见其消耗电量之大. 因此既要编写合理的程序,避免误报漏气情况,又要在确保漏气报警数据帧被可靠接收前提下,设置合理的n值和延时时间.471重 庆 工 学 院 学 报4 结束语通过上面的分析和计算,可以比较直观、 准确地分析基于mc68hc908rf2的 tpms监测发射模块在搭配不同传感器和不同工作状态下的功耗,从而可以做到有的放矢和综合平衡考虑各种因素后采取不同的节能设计方法,尽可能延长电池的工作寿命 ,这可以为用户减少更换监测发射模块的麻烦和费用.参考文献:1 闫利文,俞涛,潘毅,等.胎压检测系统的研究j .微计算机信息,2006 ,22(7) :112 - 114.2 李威,尹术飞.tpms无源化发展方向研究j .上海汽车,2006(2) :39 - 42. 3 m68hc08microcontrollersmc68hc908r