基于单片机的轮胎压力检测报警器的设计与实现(4)

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图3.2 轮胎模块功能原理框图

3.2.1 核心微控制器 MC68HC908RF2

微控制器 MC68HC908RF2 是由 Freescale 公司（前 Motorola 公司半导体部）设计生产的 M68HC08 系列 8 位微控制器单元（MCU），其突出特点就是低功耗、高性能。MC68HC08 系列微控制器基于不同的用户群需求，采取专用集成的设计理念，提供了适合特殊应用需求的、具有多种外围功能模块搭配的微控制器。该系列所有的微控制器均使用了增强的 MC68HC08 中央处理器单元（CPU08）。为了实现低功耗及 32 引脚的超小外形封装（LQFP），MC68HC908RF2还进行了优化设计，特别是其内部自带的射频发射器，非常适合应用于本系统的设计，其具有如下特性：

高性能的 MC68HC08 结构；工作电压在 3.3V 时，内部总线频率最大可达 4MHz；在 1.8V 电压时，内部总线频率最大可达 2MHz；无需任何外围器件的内部振荡器，软件选择内部振荡器频率，可校正精确到±2%，也可选择使用外部时钟源或晶体/陶瓷谐振器；可加密的 2K 字节 Flash 程序存储器；128 字节的 RAM；16 位、双通道定时器接口模式（TIM）；12 个通用输入/输出（I/O）端口，其中 6 个带有键盘唤醒功能，2 个与定时器模块共用；低电压禁止（LVI）模式，检测到芯片电源电压降到 1.85V 时，置MCU 复位，检测到 2.0V 时，置指示器标志位；具有唤醒特征的 6 位键盘中断；芯片内部集成有超高频（UHF）发射器；具有多重系统保护特征：计算机正常工作（COP）复位，低压检测复位，非法操作代码检测复位，非法地址检测复位；带有停止和等待模式的低功耗设计[11]。MC68HC908RF2 是轮胎模块的核心器件，既作为测量监控的微控制器，同时还内置有 UHF 发射器。其标准工作电压为 3V，最低可工作在 1.8V 电压下，芯

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片工作温度范围－40℃～＋80℃，能够承受恶劣的室外环境。MC68HC908RF2 微控制器部分的工作并不需要外部晶振，因为带有一个内部时钟发生器（ICG），通过软件设定可以得到一个满足其可靠工作要求的时钟频率[12，13]。 3.2.2 测量电路设计

MPXY8020A 是 Freescale 公司的 8 引脚集成传感器，它在一个芯片上集成了可变电容的压力传感单元、温度传感单元和数字接口电路（具有唤醒特性），能够同时对轮胎的压力和温度数据进行测量，并实现测量结果的数字化输出。该传感器具有 2.1V～3.6V 的宽范围工作电压，工作温度为－40℃～＋125℃，功耗低，能够在封闭的轮胎内部可靠工作。该传感器的压力传感单元是采用表面微机械加工（MEMS）而成的电容性传感器，温度传感单元则由集成扩散电阻构成。压力信号的状态首先是由开关电容放大器把电容转换成电压，由电压比较器与串行输入的 8 位可编程门限电平比较，通过调整门限电平和检测引脚 OUT 的状态，外部设备就可以获知门限电平是否被打破，或执行 8 位 A/D 转换。一个双通道的多路选择器可以把压力信号送到采样电容器，得到数字化压力数据的输出过程。如表3.1，传感器的几种工作模式是通过引脚 S1 和 S2 上的输入电压来选择的。测量结果模拟到数字的转换是通过 8 级门限电平比较，采用连续逼近算法来实现的。以电压方式存储测量结果的采样电容器，其电压能保持到足够完成一次 8 位的 A/D 转换。

表3.1 MPXY8020A的工作模式

S1 0 0 1 1 S0 工作模式 0 1 0 1 空闲/复位 压力测量 温度测量 数据输出 工作电路 压力测 温度测 A/D输 LFO 量系统 量系统 出比较 晶振动 OFF OFF OFF ON ON OFF OFF ON OFF ON OFF ON OFF OFF ON ON 串行 数据 计算器 工作 复位 复位 工作 根据图3.2 所示传感器与微控制器之间的控制关系，如图3.3 所示，是具体的轮胎模块测量电路图。MC68HC908RF2 通过控制引脚 S1 和 S2 的电平来选择不同的工作模式。在数据输出模式下，通过引脚 DATA 将表示比较电平的 8位数据伴随引脚 CLK 上的同步脉冲输入传感器，比较电平与存储测量结果的采

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样电容

图3.3 轮胎模块测量电路图

器间的比较结果可以从引脚 OUT 上读出，以此得到数字化的 8位测量数据。在传感器内部低频振荡器控制下，引脚RST 大约每 52 分钟发出一个复位脉冲，可以起到对其它器件的复位或者唤醒功能。 3.2.3 发射电路设计

发射电路是实现轮胎模块与主机模块之间通信的硬件连接，主要由超高频（UHF）发射器、外围电路、匹配网络和印刷天线构成。MC68HC908RF2 微控制器内部集成的射频发射模块，实际上就是 UHF发射器 MC33493，它是与主机模块的 UHF 接收器 MC33594 相对应的射频发射芯片。其主要特性如下：具有多个发射频段：315MHz，434MHz 和 868MHz；开关键控（OOK）和频移键控（FSK）的调制模式；可调输出功率范围；全集成的压控振荡器（VCO）；极低的待机电流：；低于电源电压停工；面向微控制器的数据时钟输出；较少的外围器件数量[14]。该发射器是一个锁相环（PLL）调谐的低功率超高频发射器。由微控制器通过几个数字输入引脚来控制不同的工作模式。1.9V～3.7V 的电源电压只由一块锂电池供电就可工作。内部振荡器 VCO 完全集成了相位频率检测器和环形滤波器。外接的晶体振荡器为发射器的锁相环提供参考频率，通过 VCO 后得到数

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据发射所需的输出频率。准确的发射输出频率可由式（3.1）得出：

fRFOUT?fXTAL?PLL 分频比 （3.1）

发射器通过引脚 BAND 来选择数据的发射频段。按表3.2 给出的发射器频段选择及相应的匹配晶体振荡器频率，可以根据应用需要来选择外接的晶体振荡器的频率。

表3.2 频带选择及附加分频器比率

BAND引角 频段 输入电平 （MHz） 315 高电平 434 低电平 868 锁相环（PLL） 晶体振荡器频率 分频比 （MHz） 9.84 32 13.56 64

微控制器通过 4 个数字输入引脚（ENABLE，DATA，BAND 和 MODE）来控制这个发射电路，用于 UHF 发射器的控制和数据输入。发射机提供一个数字输出引脚（DATACLK）给微控制器，用于给串行输入数据提供参考同步脉冲。如表 3.3 所示，发射器为输入数据提供的同步脉冲频率为外接晶体振荡器频率除以 64。

表3.3 相对晶体振荡器频率的 DATACLK 频率

晶体振荡器频率 DATACLK频率 （MHz） （KHz） 9.86 154 13.56 212 一个完整的发射/接收电路不仅仅只是UHF发射/接收器及其外围器件的简单连接，还要有适合数据发射/接收的匹配网络（Matching Network）和天线（Antenna）。图3.4是射频发射/接收电路基本结构框图。

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图3.4 射频发射/接收电路基本结构框图

在射频电路设计中，为实现最大功率传输，在源和负载之间以及各模块之间插入一个无源网络，通常这种无源网络被称为匹配网络。实际的匹配网络不仅仅可以减小功率损耗，它们还具有减小噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线性度等功能。

天线是无线射频通信系统中不可或缺的组成部分。无线通信是靠空间的电磁波来传递信息，而电磁波的产生和接收都必须由天线来完成。图 3-5 是具体的轮胎模块发射电路图，给出了超高频（UHF）发射器的外围电路和匹配网络的具体连接。

表3.4是图3.5发射电路中发射器的外围器件说明。该发射电路图的发射频段为 433.92MHz，采用 FSK 数据调制模式。微控制器与定时器模块共用的引脚连接发射器的引脚 DATACLK 和 DATA，以在向发射器输入数据时依靠准确定时与数据速率同步。图中标值为 N/C 的电阻和电容是可选器件，根据发射数据的调制方式和发射电路的发射功率来决定是否连接。根据系统采用的射频通信方案为FSK 数据调制模式，发射频段433.92MHz，轮胎模块到主机模块的发射距离短，5 米以内即可，发射功率小。所以，图 3.5 中的 R3 和 C8 处空出不接，并根据表 3.5，C5 选择 10pF。轮胎模块总电路可参看附录A。

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