本文介绍一种无线温度,压力监测系统。设计的实例是专为汽车应用设计的轮胎压力监测(TPM)系统,主要用来监测轮胎内部的压力和温度。当然,本设计亦可作为其它近距离无线监测设备设计的参考。

　　系统组成

　　TPM系统主要由传感器/发送器(S/TX)部件,射频(RF)接收模块,低频(LF)指令部件组成。

　　S/TX部件,每辆汽车通常备有5个S/TX部件,4个轮胎和备用轮胎各1个。每个单元都有一个系统能区分的特定序列号。S/TX周期性地测量内部压力,温度和电池状态,然后将测量信息构成RF信号发送至中心接收机。该部件由microchip rfpic 12F675微控制器和Sensonor sp-13传感器组成,其中还设置了LF接收单元,用于S/TX的通信,将它从休眠方式中唤醒。

　　RF接收模块。中心接收模块接收来自各个S/TX部件的信息,接收器还用作远程无键输入接收机,以节省整个系统的成本。

　　LF命令部件。LF命令部件通过125KHzASK调制信号向S/TX单元发送具体的命令。LF链路使用电磁方式,是近距离的(1米以内),非常适合的S/TX部件发送命令,当S/TX接收到命令后,立即按命令执行特定的操作。

　　主要技术指标。S/TX的工作电压为2.5~3.6V;调制格式ASK;低压报警阀值电压2.5V。RF单元发射频率为315MHz;发射间隔为60、15或5s;功率输出+9dBm(50Ω负载);工作电流12.5mA(最大RF功率时)。LF单元的输入频率为125KHz。压力传感器压力范围为50~637绝对KPa;温度范围-40~125℃。

 

　　图1 轮胎压力监测系统电路图

 

　　图2

　　工作原理

　　PIC12F675是S/TX的核心,选用这个器件有3个理由。首先,该器件已广泛地使用于多种发射应用中,微控制器备有RF发射电路,简化了发射器的设计;其次,器件内部有一个RC振荡器,减少了外部元器件数量,直接降低了模块成本,缩小了电路板尺寸;第三,器件内部还有一个比较器,在解码LF信息中起到重要作用;最后,该器件前有一个10位A/D转换器,可让设计者使用模拟式压力传感器。

　　rfpic具体实现了3个功能,监测来自SP-13传感器IC的数据线和LF输入;定期汇编测量数据;周期性地发送RF信息。

　　rfpic通电后执行初始化程序,然后进入休眠状态,直至检测到SP-13数据线或LF输入状态有变化才被唤醒,让它过渡到工作方式。如果是被SP-13唤醒的,rfpic读取输入数据,将数据汇编成合适的消息,然后通过RF发达器发射出去,发射完成后rfpic重新进入休眠状态;如果是LF输入唤醒的rfpic解释LF消息,执行相应的命令,然后也重新回到休眠状态。

　　SP-13传感器IC

　　SP-13测量压力与温度,并在电池电压低于预设的阈值时产生一个标志。该器件还含有一个32位ID,供中心接收器识别。

　　SP-13有5个工作模式：

　　SP-13测量压力与温度,并在电池电压低于预设的阈值时产生一个标志。该器件还含有一个32位ID,供中心接收器识别。 SP-13有5个工作模式： 存储模式：若压力低于1.5bar,每隔60s测量一次数据且不发送数据。 初始模式：压力增加至1.5 bar时进入该模式。在此模式,每隔0.85s测量并发送数据,这一过程要重复256次,若压力仍高于1.5 bar,器件进入正常模式;反之,器件仍回到存储模式。 正常模式：每隔3.4S测量一次压力,数据发送60S一次。若60S前后压力差大于200m bar器件进入压力报警模式。 压力报警模式：此模式的工作方式基本上与初始模式相同。 高温报警模式：如果温度超过120℃器件进入与初始模式相类似的工作模式。

　　LF输入电路

　　LF输入接收125KHz信号,该信号解调后变换成一个特定的命令。LF输入设有一个调谐在125KHz的LC谐振电路,由L1和C11组成。L1是为此类应用专门设计的,也可使用普通的线圈,但电路灵敏度或测量矩离会有所降低。D3用来将LC谐振电路上感应的电压嵌位在安全电平。LC电路输出经过限流电阻R5送至rfpic比较器的负输入端,其正输入端连接在内部VREF模块产生的参考电压。比较器输出则送到由二极管D2、电容C9和电阻R3组成的包络检波器。检波器输出最终直接送至rfpic端口引脚,用来处理LF数据。

　　RF电路

　　rfpic的PLL形式发射电路仅需少量外部元件就能完成RF发射。发射器的基频由晶体Y1确定。所要求的发射频率除以32便是晶体频率,例如,发射频率确定为315KHz则晶体频率选择9.84375MHz。

　　环形天线L3与C3和C8构成谐振回路,与单端RF驱动器相匹配。电容C4为3V电源提供去耦,L2和R6进一步滤除高频能量,R6同时也能降低天线的Q值。发射电路的输出功率通过R8进行调整,开路时获得最大输出功率。

　　RF信号编码方法是1/3-2/3PWM格式,基本脉冲单元TE是400?S,因而位周期是1.2ms。整个编码由前同步码、发射ID、压力、温度、电池、状态和循环冗余码(CRC)组成。

　　前同步码：由31个逻辑“1”位和1个逻辑“0”位组成。同步码有双重作用,它让接收器辩认正确的S/TX消息,同时对RF消息同步,它的长度是可变的,用户可根据电池的功率容量来确定。

　　发射ID：32位发射ID唯一地识别每个S/TX。

　　压力：1字节无符号二进制值 ,乘以2.5后就是压力kpa值。

　　温度：1字节无符号二进制值,减去40后就是温度的摄氏值。

　　电池：该字节的位7指示电池状态,逻辑1正常,逻辑0低电压。

　　状态：该字节的位1和位O含有传感器IC状态信息。00为初始或存储模式;01正常模式;10压力报警模式;11温度报警模式。

　　CRC(2个字节)：按CCITT标准执行。

　　LF指令器

　　LF指令器通过LF传输向S/TX发送命令。手持式LF指令器基于PIC16F628MCU构建的,它与S/TX之间的通信是通过磁场完成的。它的编码格式与RF信号相同,1字节消息表示要执行的命令：

• 　　1101101启用RF发射器;
• 　　0010010禁用RF发射器;
• 　　0101010立即发射RF消息;
• 　　0110110按60S间隔发射RF消息;
• 　　1001100按15S间隔发射RF消息;
• 　　1010011按5S间隔发射RF消息。

　　结语

　　本设计采用LF输入命令,RF发达测量数据,这种方案极大地简化了电路的设计。本文虽然是针对温度、压力测量的,但不难发现,只要将电路的传感器部分稍加调整,就能测量其它的物理参数。■(东华)