汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(Tyre Pressure Monitoring System,，TPMS)是一種能對汽車輪胎氣壓、溫度進行自動檢測,，并對輪胎異常情況進行報警的預警系統(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+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逐漸淘汰,，后一種方案是當前市場上較為先進的產(chǎn)品設計形式,。隨著半導體及硅顯微機械加工技術的快速發(fā)展，一種新的設計方案即電池+內(nèi)部集成MCU和RF的專用傳感器正成為TPMS發(fā)射模塊設計的主流,。這種方案集成度更高,，體積和功耗更小，使用壽命更長，產(chǎn)品競爭力也更強,。本文選用Infineon新一代系統(tǒng)級芯片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，設計完成了一種新型胎壓監(jiān)測系統(tǒng),。

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，負責測量輪胎內(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)硬件方案設計

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，兩種模塊的硬件結構如圖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調制模式的MAX1473作為無線接收芯片,，由8位單片機控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收,、顯示和報警。本設計方案遵循歐洲標準,，無線信號調制中心頻率為433．92 MHz,。



2．1 SP37應用設計

傳感器和射頻是無線輪胎壓力傳感器設計的關鍵。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,，因此實現(xiàn)傳感器和射頻功能的芯片需具有以下兩個特點：

1)集成度高，外圍器件盡可能少,，便于進行可靠性設計,；

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,，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,、單片機和RF發(fā)射單元于一體,，最大輸出功率+8 dBm(50 Ω負載),，最低1．9 V工作。應用電路如圖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常用調制頻率有315 MHz和433．92 MHz兩種，不同調制頻率所選用的晶振也不同,。若調制頻率為315 MHz,，那么外部晶振頻率G1應為19．687 5 MHz；若調制頻率為433．92 MHz,，G1則應為18．08 MHz,。L1、L2,、C2,、C3和C5組成了天線匹配網(wǎng)絡，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。本設計采用氣門嘴作為天線,，通過軟件仿真和反復測試驗證,，最佳匹配電路如圖3所示。



2．2 MAX1473射頻應用設計

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,，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MAX1473來完成胎壓傳感器SP37射頻無線信號的可靠接收，其應用電路如圖4所示,。



MAX1473具有-114～0d Bm的信號輸入范圍,，調制頻率范圍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)恢復電路,，只需少量的外部器件即可構成胎壓接收器的射頻前端。MAX1473外圍電路主要包括3部分：LNA調諧電路,、輸入匹配和晶振電路,。LNA調諧電路由連接在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,。在本設計中，RF輸入頻率為433．92 MHz,，當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,，并將LNAIN輸入阻抗的實部設置為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：,。當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致的晶振頻率偏移。

3 系統(tǒng)軟件方案設計

如何節(jié)能是輪胎壓力傳感器模塊軟件設計的關鍵問題,。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,，本設計采用了基于素數(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的隨機素數(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

本設計方案樣機已研制出,，經(jīng)反復測試具體性能指標如下：

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 結束語

目前,，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的強制標準已送交國家有關部門審核,，汽車標配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,、功耗低的優(yōu)點,，選用MAX1473設計實現(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,。