1 系統(tǒng)描述

　　胎壓監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示,，輪胎壓力傳感器分別安裝在4個車輪輪轂上,，負(fù)責(zé)測量輪胎內(nèi)部的壓力,、溫度和電池電壓等物理狀況，并將測量數(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個輪胎的壓力值,、溫度值。當(dāng)某一個輪胎的溫度,、壓力或電池電壓超過了報警閥值,，胎壓控制器能夠準(zhǔn)確識別輪胎的位置，并且發(fā)出圖形,、聲音,、文字報警。

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、顯示和報警,。本設(shè)計(jì)方案遵循歐洲標(biāo)準(zhǔn),，無線信號調(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,，以盡可能延長監(jiān)測模塊的工作壽命,。

　　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,，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LNA的輸入端等效于一個50Ω電阻與一個2．5 pF電容串聯(lián),，輸入阻抗為：f.JPG。當(dāng)RF輸入頻率為433．92 MHz時,，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,。對于315 MHz系統(tǒng)，晶振G1頻率為4．754 7 MHz,；對于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。一個傳感器模塊要在一節(jié)幾百毫安時的電池下工作2年以上，而射頻發(fā)送數(shù)據(jù)幀時耗電最大,，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)的動態(tài)時延算法,，即各輪胎上的傳感器模塊在完成溫度,、壓力的測量以后，分別按1 000ms×N1(N1為小于20的隨機(jī)素?cái)?shù))延時后再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,。與采用固定周期的延時算法相比,，這種動態(tài)時延算法能大大降低數(shù)據(jù)發(fā)送沖突的概率。此外,，如果傳感器檢測到輪胎靜止超過1 h,，則會自動進(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 性能測試

　　本設(shè)計(jì)方案樣機(jī)已研制出,，經(jīng)反復(fù)測試具體性能指標(biāo)如下：

　　1)可監(jiān)測胎壓范圍為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)測系統(tǒng)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)已送交國家有關(guān)部門審核,，汽車標(biāo)配TPMS安全系統(tǒng)成為必然的趨勢。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)測系統(tǒng),，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,，具有很好的市場前景。