基于SP37的新型TPMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：簡(jiǎn)要介紹了胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)的組成，提出了一種基于新型傳感器SP37的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用SP37和MAX1473作為無線收發(fā)芯片，詳細(xì)闡述了其軟件和硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際測(cè)試效果表明，該系統(tǒng)接收靈敏度可達(dá)到-100 dBm，高速跑車時(shí)速100 km時(shí)工作穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：TPMS；SP37；MAX1473；壓力；溫度

    汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Tyre Pressure Monitoring System，TPMS)是一種能對(duì)汽車輪胎氣壓、溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并對(duì)輪胎異常情況進(jìn)行報(bào)警的預(yù)警系統(tǒng)。目前直接式TPMS發(fā)射模塊較多采用以下兩種方案：1)電池+單片機(jī)+傳感器+射頻芯片，2)是電池+內(nèi)部集成MCU的傳感器+射頻芯片。前一種方案由于集成度低、體積和功耗大而被市場(chǎng)逐漸淘汰，后一種方案是當(dāng)前市場(chǎng)上較為先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)形式。隨著半導(dǎo)體及硅顯微機(jī)械加工技術(shù)的快速發(fā)展，一種新的設(shè)計(jì)方案即電池+內(nèi)部集成MCU和RF的專用傳感器正成為TPMS發(fā)射模塊設(shè)計(jì)的主流。這種方案集成度更高，體積和功耗更小，使用壽命更長(zhǎng)，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力也更強(qiáng)。本文選用Infineon新一代系統(tǒng)級(jí)芯片SP37作為胎壓傳感器和射頻發(fā)射器，選用MAXIM公司的MAX1473作為接收芯片，設(shè)計(jì)完成了一種新型胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)描述
    胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示，輪胎壓力傳感器分別安裝在4個(gè)車輪輪轂上，負(fù)責(zé)測(cè)量輪胎內(nèi)部的壓力、溫度和電池電壓等物理狀況，并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過無線形式按照一定的規(guī)律發(fā)給胎壓控制器。駕駛員通過胎壓控制器上的顯示屏和按鍵可查看4個(gè)輪胎的壓力值、溫度值。當(dāng)某一個(gè)輪胎的溫度、壓力或電池電壓超過了報(bào)警閥值，胎壓控制器能夠準(zhǔn)確識(shí)別輪胎的位置，并且發(fā)出圖形、聲音、文字報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)
    該TPMS系統(tǒng)包括兩種硬件模塊：輪胎壓力傳感器和胎壓控制器，兩種模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。輪胎壓力傳感器主要由電池和集傳感器、單片機(jī)和RF發(fā)射單元于一體的SP37組成，外圍器件少，重量輕，成本低。胎壓控制器采用了基于ASK調(diào)制模式的MAX1473作為無線接收芯片，由8位單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示和報(bào)警。本設(shè)計(jì)方案遵循歐洲標(biāo)準(zhǔn)，無線信號(hào)調(diào)制中心頻率為433．92 MHz。

2．1 SP37應(yīng)用設(shè)計(jì)
    傳感器和射頻是無線輪胎壓力傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于輪胎壓力傳感器安裝在輪轂上，采用能量有限的鋰電池供電，因此實(shí)現(xiàn)傳感器和射頻功能的芯片需具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：
    1)集成度高，外圍器件盡可能少，便于進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)；
    2)最小可工作電壓低，功耗低，有多種工作模式，便于根據(jù)具體工作狀態(tài)進(jìn)行功耗管理，以盡可能延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)模塊的工作壽命。
    根據(jù)以上特點(diǎn)，并經(jīng)過分析比較，最終選用了SP37這款高集成度系統(tǒng)級(jí)芯片。SP37是調(diào)頻范圍為300～450 MHz的胎壓傳感器芯片，內(nèi)部集傳感器、單片機(jī)和RF發(fā)射單元于一體，最大輸出功率+8 dBm(50 Ω負(fù)載)，最低1．9 V工作。應(yīng)用電路如圖3所示，主要包括電源濾波電路、晶振電路和天線匹配電路三部分。由于RF芯片對(duì)汽車電磁噪音非常敏感，恰當(dāng)有效的濾波電路能很好地抑制噪音，提高可靠性，因而靠近電源引腳配置了濾波電容C1、C4和C6。SP37常用調(diào)制頻率有315 MHz和433．92 MHz兩種，不同調(diào)制頻率所選用的晶振也不同。若調(diào)制頻率為315 MHz，那么外部晶振頻率G1應(yīng)為19．687 5 MHz；若調(diào)制頻率為433．92 MHz，G1則應(yīng)為18．08 MHz。L1、L2、C2、C3和C5組成了天線匹配網(wǎng)絡(luò)，通過優(yōu)化這些參數(shù)可以將特定阻抗的天線匹配到SP37功率放大器的輸出阻抗500 Ω，以抑制諧波，提高天線的效能。本設(shè)計(jì)采用氣門嘴作為天線，通過軟件仿真和反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，最佳匹配電路如圖3所示。

2．2 MAX1473射頻應(yīng)用設(shè)計(jì)
    胎壓控制器可以直接由車載電源供電，對(duì)功耗的要求不是很嚴(yán)格。由于胎壓控制器安裝于車廂內(nèi)，考慮到金屬車身的屏蔽效應(yīng)，高靈敏度是選擇射頻接收芯片時(shí)考慮的重要因素。而與FSK(frequency-shift-keyed，頻移鍵控)制式的接收芯片相比，ASK制式的接收芯片具有更高的靈敏度，成本也較低，因此最終選用MAXIM公司的超外差接收機(jī)MAX1473來完成胎壓傳感器SP37射頻無線信號(hào)的可靠接收，其應(yīng)用電路如圖4所示。

    MAX1473具有-114～0d Bm的信號(hào)輸入范圍，調(diào)制頻率范圍300～450MHz，接收數(shù)據(jù)速率最大為100 kb／s，內(nèi)部集成了低噪聲放大器、全差分鏡頻抑制混頻器、帶壓控的片上鎖相環(huán)、10．7 MHz中頻限幅放大器以及模擬基帶數(shù)據(jù)恢復(fù)電路，只需少量的外部器件即可構(gòu)成胎壓接收器的射頻前端。MAX1473外圍電路主要包括3部分：LNA調(diào)諧電路、輸入匹配和晶振電路。LNA調(diào)諧電路由連接在LNAOUT引腳的L2和C9組成，諧振頻率。
    其中，LTOTAL和CTOTAL包括L2、C9以及PCB板引線、封裝引腳的寄生電感和電容，混頻器輸入阻抗和LNA輸出阻抗。為了提高靈敏度，諧振頻率需盡可能接近所希望的RF輸入頻率。在本設(shè)計(jì)中，RF輸入頻率為433．92 MHz，當(dāng)L2=15 nH，C9=3．0 pF時(shí)，接收靈敏度最高。LNASRC引腳與參考地之間的外部電感L3用于改善芯片外部的電感效應(yīng)，并將LNAIN輸入阻抗的實(shí)部設(shè)置為50 Ω。這時(shí)LNA的輸入端等效于一個(gè)50Ω電阻與一個(gè)2．5 pF電容串聯(lián)，輸入阻抗為：。當(dāng)RF輸入頻率為433．92 MHz時(shí)，Z=50-j145。為消除輸入阻抗的虛部，匹配50 Ω天線，可算出匹配電感L4約為73 nH。對(duì)于315 MHz系統(tǒng)，晶振G1頻率為4．754 7 MHz；對(duì)于433．92 MHz系統(tǒng)，晶振G1頻率為6．612 8 MHz，串聯(lián)電容C1、C2用于修正因電路板寄生電容導(dǎo)致的晶振頻率偏移。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)
    如何節(jié)能是輪胎壓力傳感器模塊軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。一個(gè)傳感器模塊要在一節(jié)幾百毫安時(shí)的電池下工作2年以上，而射頻發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)耗電最大，因此在保證數(shù)據(jù)傳輸正確的前提下應(yīng)盡量減少發(fā)送次數(shù)。發(fā)射模塊軟件流程如圖5所示，本設(shè)計(jì)采用了基于素?cái)?shù)的動(dòng)態(tài)時(shí)延算法，即各輪胎上的傳感器模塊在完成溫度、壓力的測(cè)量以后，分別按1 000ms×N1(N1為小于20的隨機(jī)素?cái)?shù))延時(shí)后再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。與采用固定周期的延時(shí)算法相比，這種動(dòng)態(tài)時(shí)延算法能大大降低數(shù)據(jù)發(fā)送沖突的概率。此外，如果傳感器檢測(cè)到輪胎靜止超過1 h，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，即不再發(fā)送數(shù)據(jù)，直到被加速度信號(hào)喚醒。胎壓控制器即接收模塊的軟件流程如圖6所示。

4 性能測(cè)試
    本設(shè)計(jì)方案樣機(jī)已研制出，經(jīng)反復(fù)測(cè)試具體性能指標(biāo)如下：
    1)可監(jiān)測(cè)胎壓范圍為0～4．5 bar，分辨率25 mbar，通常轎車的輪胎氣壓在2．2～2．8 bar之間；
    2)可監(jiān)測(cè)溫度范圍：-40～125℃，分辨率2℃，轎車的輪胎溫度一般約75℃；
    3)輪胎壓力傳感器發(fā)射功率用頻譜分析儀測(cè)得在-40 dBm左右，胎壓控制器接收靈敏度在-100 dBm；
    4)采用500 mAh的電池，若每天正常行車12 h，發(fā)射模塊可正常工作6年以上。

5 結(jié)束語
    目前，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)已送交國(guó)家有關(guān)部門審核，汽車標(biāo)配TPMS安全系統(tǒng)成為必然的趨勢(shì)。本文基于SP37集成度高、可靠性強(qiáng)、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，選用MAX1473設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新的無線胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有很好的市場(chǎng)前景。