汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓進行自動檢測，并對胎壓異常情況進行報警的預警系統(tǒng)。本文結合ZigBee技術的低成本、低功耗、設備地址唯一等優(yōu)點，將輪胎內部安裝的壓力、溫度傳感器組成一個微型ZigBee網絡。

　　監(jiān)測網絡總體設計

　　ZigBee 技術是新興的一種近距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的無線通信技術。它基于IEEE 802.15.4協(xié)議標準，主要工作在免授權的2.4GHz頻段，數(shù)據(jù)速率為20～250Kb/s，最大傳輸范圍在10～75m。ZigBee網絡中定義了兩種物理設備類型:全功能設備 (FFD)和精簡功能設備 (RFD)。其中，F(xiàn)FD支持任何拓撲結構，可以充當網絡協(xié)調器，能和任何設備通信；RFD不能完成網絡協(xié)調器功能，且只能與FFD通信，兩個RFD之間不能通信，但它的內部電路比FFD少，因此實現(xiàn)相對簡單，也更利于節(jié)能。

　　直接式TPMS系統(tǒng)利用安裝在每一個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，通過無線或者有線的方式將數(shù)據(jù)傳到安裝在駕駛臺的監(jiān)視器上，監(jiān)視器實時顯示各個輪胎的狀況，一旦出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會自動報警以提醒司機進行及時處理。本監(jiān)測網絡就是一種直接式TPMS系統(tǒng)。

　　ZigBee 監(jiān)測網絡原理框圖如圖1所示，該監(jiān)測網絡包括四個輪胎監(jiān)測器和一個車載監(jiān)視器。工作原理：四個輪胎監(jiān)測器是RFD網絡節(jié)點，安裝在輪轂上，能實時檢測輪胎內的溫度和壓力值并發(fā)送到車載監(jiān)視器顯示；駕駛員也可以通過車載監(jiān)視器主動訪問各個輪胎的氣壓狀態(tài)。車載監(jiān)視器是FFD設備，充當網絡協(xié)調器，通過無線方式接受各輪胎的壓力、溫度和監(jiān)測器狀態(tài)，并通過顯示設備進行實時顯示或聲光報警。由一個FFD網絡協(xié)調器和四個RFD終端節(jié)點共同組成一個星型拓撲結構的微型ZigBee胎壓監(jiān)測網絡，射頻方式符合IEEE 802.15.4協(xié)議標準。

　　圖1 監(jiān)測網絡原理框圖

　　監(jiān)測網絡硬件方案設計

　　該監(jiān)測網絡中包括兩種硬件模塊：輪胎監(jiān)測器和車載監(jiān)視器。基于ZigBee技術的原理和特點，本文以Chipcon公司的系統(tǒng)級芯片CC2430為核心，設計了輪胎監(jiān)測器和車載監(jiān)視器的硬件電路，如圖2所示。

　　圖2 硬件模塊框圖

　　1 射頻處理芯片選型

　　射頻處理單元是無線輪胎監(jiān)測器模塊的核心部分。由于輪胎監(jiān)測器安裝在輪轂上，采用能量有限的鋰電池供電，因此射頻處理芯片需具有以下特點：功耗低、體積小、支持IEEE 802.15.4標準。

　　根據(jù)以上特點，并經過分析比較，最終選用了CC2430這款系統(tǒng)級芯片。CC2430是Chipcon公司生產的2.4GHz射頻芯片，符合IEEE 802.15.4標準，傳輸速率最高250Kb/s，采用具有內嵌閃存的0.18μm CMOS標準技術，休眠模式功耗僅0.9μA，集8051內核與無線收發(fā)模塊于一體，簡化了電路的設計，且尺寸只有7mm×7mm。

　　2 壓力溫度傳感器選型

　　汽車輪胎特殊的工作環(huán)境，決定了胎壓監(jiān)測傳感器的高要求，即低功耗、寬溫區(qū)、寬電源電壓范圍內較高的精度和可靠性。本設計選用了Infineon公司的硅壓阻式壓力傳感器SP12，其工作電壓1.8～3.6V，具有壓力范圍100～450kPa、溫度范圍-40℃～125℃的測量能力。

　　3 車載監(jiān)視器設計

　　如圖2所示，車載監(jiān)視器同樣以CC2430為核心，負責射頻數(shù)據(jù)的收發(fā)、顯示和報警。顯示屏為定制的LCD字符型段碼屏，通過I/O口模擬I2C與單片機通信，屏上有左前輪、左后輪、右前輪、右后輪以及溫度超限、氣壓低、氣壓高等可視化圖標，再配合蜂鳴器和發(fā)光二極管，非常方便駕駛員對輪胎運行狀態(tài)的掌控。三向鍵作為一個人機交互的窗口，可通過手動操作查看特定輪胎的運行狀態(tài)，或設置溫度、氣壓報警門限值。因為車載監(jiān)視器采用汽車電源供電，因而低功耗設計上的考慮可相對少一些。

　　4 電路抗干擾措施

　　由于是高頻電路，克服器件的相互干擾尤為重要，為保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定、可靠的運行，建議在電路設計中采取以下措施。

　　● 采用四層PCB，頂層主要走信號線，頂層下面依次是是地平面層、電源平面層和底層，為防止高頻信號的輻射和串擾，應盡量縮小信號回路面積，同時采用多點接地，降低接地阻抗。

　　● CC2430芯片底部必須采用少量過孔與地相連，保證芯片體可靠接地。

　　● 去耦電容必須盡可能靠近3V和1.8V電源引腳，并且電容接地端通過過孔就近接地，去耦電容的充放電作用使集成芯片得到的供電電壓比較平穩(wěn)，減少了電壓振蕩現(xiàn)象。

　　● 芯片外圍器件的尺寸應盡可能的小，建議使用0402規(guī)格的阻容器件。