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(chē)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(guò)無(wú)線形式按照一定的規(guī)律發(fā)給胎壓控制器,。駕駛員通過(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(chē)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(guò)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(mén)嘴作為天線,，通過(guò)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(chē)載電源供電,，對(duì)功耗的要求不是很?chē)?yán)格。由于胎壓控制器安裝于車(chē)廂內(nèi),，考慮到金屬車(chē)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(lái)完成胎壓傳感器SP37射頻無(wú)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：f.JPG。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(wèn)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(guò)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(chē)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(chē)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(chē)12 h，發(fā)射模塊可正常工作6年以上,。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　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(mén)審核，汽車(chē)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(wú)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,。