基于SP37的汽車(chē)胎壓監測設計與測試

當汽車(chē)輪胎壓力出現問(wèn)題時(shí)，不僅會(huì )減少輪胎的使用壽命和增大油耗，甚至會(huì )導致爆胎等危險情況的發(fā)生。統計表明，目前我國高速公路上70%的交通事故為輪胎氣壓?jiǎn)?wèn)題所引發(fā)。引發(fā)輪胎事故的原因比例為：輪胎氣壓過(guò)高占20%，輪胎氣壓不足占57%，其他為23%。車(chē)速在160公里以上時(shí)發(fā)生爆胎，死亡率近至100%。因此，爆胎已成為目前汽車(chē)交通事故的重大殺手之一。汽車(chē)胎壓監測傳感器能夠實(shí)時(shí)準確地測量當前輪胎壓力和溫度值，當輪胎出現異常危險情況時(shí)，傳感器將通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信號發(fā)送給車(chē)汽車(chē)儀表顯示并報警，達到實(shí)時(shí)提醒駕駛者的效果，將事故消滅在萌芽之中。

系統描述

在每個(gè)車(chē)輪內部安裝一個(gè)汽車(chē)胎壓監測傳感器，它能夠準確測量輪胎內部的壓力和溫度，傳感器通過(guò)433.92MHz射頻無(wú)線(xiàn)形式按照一定的規律向汽車(chē)儀表發(fā)送輪胎的壓力值和溫度值，駕駛員通過(guò)儀表盤(pán)顯示屏獲得每一個(gè)輪胎的壓力值、溫度值。當某一個(gè)輪胎的壓力值或溫度值變化超過(guò)了報警值，儀表盤(pán)能夠準確顯示報警輪胎的位置，并發(fā)出圖形、聲音、文字報警。同時(shí)，胎壓監測傳感器接收安裝于每個(gè)輪胎擋泥板位置處125kHz低頻天線(xiàn)數據信息，實(shí)現系統雙向通信。由于該產(chǎn)品是汽車(chē)產(chǎn)品安全件，其應在各種環(huán)境下具有高可靠性。各種環(huán)境為：陰天、下雨等不同天氣環(huán)境；國道、高速、鄉村公路、山路等各種路況；冬季中的雪路、冰面、極其寒冷地區（-40℃）；夏季中的炎熱、潮濕地區（地表溫度+50℃，90%濕度）；不同的車(chē)速（0～200km/h）等。這就需要在設計汽車(chē)胎壓監測傳感器時(shí)要嚴格選擇各個(gè)器件。

電路設計

由于汽車(chē)胎壓監測傳感器是安裝在輪胎內部，不與外界接觸，這就要求不能過(guò)于頻繁的維護修理，一般要求有10年或10萬(wàn)公里使用工作壽命，而且其工作溫度范圍為：-40～+125℃，這就要求所選擇的器件都要是汽車(chē)級和低功耗元器件。

汽車(chē)胎壓監測傳感器系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

系統分為采集部分、處理部分、驅動(dòng)部分。采集部分為壓力檢測、溫度檢測、電壓檢測和運動(dòng)檢測。溫度檢測用于測量輪胎內部溫度，也用于壓力測量時(shí)的溫度補償。壓力檢測用于測量輪胎內部絕對壓力；電壓檢測用于測量供電電池電壓；運動(dòng)檢測用于監視汽車(chē)行駛狀態(tài)；驅動(dòng)部分為低頻驅動(dòng)和高頻驅動(dòng)組成。低頻驅動(dòng)負責125kHz低頻數據接收，高頻驅動(dòng)負責433.92MHz高頻數據發(fā)射；處理部分由MCU完成，負責按照一定算法策略協(xié)調采集部分和驅動(dòng)部分工作。

本系統器件選擇Infineon（英飛凌）公司的SP37，芯片內部集成了圖1所有功能處理模塊。SP37芯片具體性能為：工作電壓1.9～3.6V；工作溫度-40～+125℃；壓力測量范圍0～450kPa；Z軸運動(dòng)加速度-115～+115g；溫度測量-40～+125℃；電池電壓AD檢測；集成ISM波段315/434MHz射頻發(fā)射；射頻輸出功率（50Ω負載）5～8dBm；硬件曼切斯特/雙向編碼RF發(fā)射；射頻ASK/FSK調制方式；FSK頻偏達50kHz；集成高靈敏度125kHz低頻接收器；硬件曼切斯特低頻解碼；16bit硬件CRC生成器；兼容8051指令的控制器；6KB Flash程序存儲空間；16KB ROM庫函數存儲空間；256Byte RAM數據存儲空間；Power Down、Idle、Run和Int四種工作模式；間隔定時(shí)器、低頻接收或外部管腳中斷三種喚醒模式；8bit硬件隨機數發(fā)生器；看門(mén)狗定時(shí)器；3個(gè)I/O端口。

基于SP37的電路原理圖如圖2所示。

圖2　SP37電路原理圖

1 高頻電路設計

系統高頻工作頻率選用歐洲胎壓監測系統指定波段433.92MHz，SP37內部集成VCO及PLL，高頻頻率是24倍頻外部晶體頻率，故選用汽車(chē)級18.08MHz無(wú)源晶體，負載電容8pF，晶體連接如圖2所示。由于FSK根據用數字信號1或0調制不同的載波頻率，抗噪聲和衰減性好，而ASK根據數字信號1或0開(kāi)通或斷開(kāi)載波，但其抗噪聲能力較差，易受干擾，所以系統選用FSK調制方式。SP37選擇內部電容方式調制FSK，通過(guò)設置XTAL1和XTAL0寄存器參數，將頻偏調到50kHz，中心頻點(diǎn)433.92MHz。

SP37內部集成射頻PA發(fā)射單元，其輸出阻抗為15.02+j53.219Ω，通過(guò)π型匹配電路進(jìn)行阻抗匹配，再通過(guò)ADS軟件仿真計算出匹配值，具體數值見(jiàn)圖2中射頻匹配單元。圖3是利用ADS軟件進(jìn)行Smith匹配圓圖的結果。

射頻功率輸出有3個(gè)等級，即1PA、2PA和3PA，功率從小到大。本系統通過(guò)設置RFTX.PAOP為11b，采用3PA放大功率，使頻譜儀測試RF輸出功率達10.52dBm。

2 低頻電路設計

LF低頻通信負責SP37接收低頻信息。低頻天線(xiàn)由并聯(lián)的電阻、電容和電感組成。為了達到最優(yōu)低頻接收靈敏度，電感和電容諧振頻率設計為低頻載波頻率125k H z。低頻電感采用普萊默（PREMO）公司TP1103-0477，電感量4.77mH，電容值為：

并聯(lián)電阻R主要用來(lái)減少L C D諧振電路品質(zhì)因數Q 值， 達到低頻足夠帶寬（ 7 . 8 k H z ） 。諧振電路品質(zhì)因數Q = f c/ B W = 1 2 5 k H z /（2×3.9k H z）=15，這就要求L F諧振電路品質(zhì)因數Q不能大于15?？梢杂嬎汶娮鑂=Q×X L=15×2π×f c×L=49.5k Ω。具體電路見(jiàn)圖2低頻接收單元。

由于S P37低頻接收波特率硬件設定為3.9k b p s的曼切斯特編碼。圖4為低頻載波數據傳輸和曼切斯特編碼之間關(guān)系。

由于硬件已被固化為3.9k b p s曼切斯特碼波特率，通過(guò)計算L F每個(gè)發(fā)送位時(shí)間為3.9kbps×2=7.8kbps。

低頻接收信息幀格式如圖5所示。

射頻數據傳輸需按照此格式進(jìn)行信息交互。首先發(fā)送引導位32位，接著(zhù)是18位的同步碼，之后是按照曼切斯特編碼方式發(fā)送喚醒ID、用戶(hù)DATA數據。

3 電池選擇

電池選擇日本M a x e l l電池公司推出的高溫系列電池(C R2450H R)，供電電壓+3.6V，電池容量480m A h，具有特點(diǎn)：壽命特長(cháng)、能量密度大、自放電極低、重量輕（8.8g）、溫限寬（-55～+125℃）。

天線(xiàn)設計

天線(xiàn)的性能將直接影響數據傳輸的質(zhì)量，它是汽車(chē)輪胎監測傳感器發(fā)射功率提升的重要因素。汽車(chē)輪胎監測傳感器的天線(xiàn)靠近氣門(mén)嘴，因而在設計天線(xiàn)時(shí)必須考慮輪胎金屬絲的屏蔽，輪輞金屬的反射影響，以及車(chē)輪高速旋轉時(shí)天線(xiàn)不斷變換方向、角度的影響等，所以天線(xiàn)設計時(shí)必須考慮以下因素：線(xiàn)極化容易受到天線(xiàn)姿態(tài)的影響，旋轉的車(chē)輪對天線(xiàn)的工作極化要求相對較高；天線(xiàn)與射頻模塊連接，需要解決好阻抗匹配的問(wèn)題，這也是天線(xiàn)設計的重點(diǎn)；由于輪胎壓力傳感器安裝在輪胎內，受到車(chē)身、天線(xiàn)運動(dòng)等對性能的影響；小型化設計，安裝在輪胎內部的天線(xiàn)，必須考慮小型化設計，433.92M H z的工作頻率，波長(cháng)為691.37m m，常規的天線(xiàn)尺寸一定不能滿(mǎn)足要求。

基于以上考慮，我們考慮選用氣門(mén)嘴作為發(fā)射模塊的天線(xiàn)，這種天線(xiàn)具有加工容易、成本低、易于一體化設計、易于匹配等優(yōu)點(diǎn)。氣門(mén)嘴安裝方式如圖6所示。

氣門(mén)嘴天線(xiàn)是國內外目前汽車(chē)輪胎監測傳感器常用的天線(xiàn)形式，它屬于電小天線(xiàn)的范疇。電小天線(xiàn)的設計重點(diǎn)在于結構尺寸的設計和匹配電路的設置，因為電小天線(xiàn)的輻射電阻一般比較?。◣讱W姆），導致電小天線(xiàn)的輻射效率一般比較低，而且輻射阻抗中的往往存在虛部，這種儲能因素將導致輻射效率進(jìn)一步降低。虛部可以通過(guò)匹配電路予以解決，但實(shí)部電阻需要與發(fā)射芯片的射頻輸出管腳的阻抗進(jìn)行匹配，這也是發(fā)射電小天線(xiàn)的設計重點(diǎn)。本方案采用的天線(xiàn)加載方式，通過(guò)內部匹配黃銅片進(jìn)行加載，其類(lèi)似于倒F天線(xiàn)加載方式，經(jīng)過(guò)臺架試驗和路試試驗后表明我們的設計思路和匹配方法是有效的。


軟件設計

系統具有的軟件功能：周期性測量輪胎壓力、溫度值；可變周期性發(fā)射輪胎壓力、溫度值；低頻射頻數據接收處理；氣壓高報警功能；氣壓低報警功能；溫度高報警功能；快漏氣報警功能；電池電壓低報警功能；傳感器無(wú)信號報警功能。系統要求具備10年長(cháng)的壽命，要達到如此長(cháng)的使用年限，一般狀態(tài)下系統都處于休眠狀態(tài)，靜態(tài)電流只有0.6μ A。系統休眠狀態(tài)可通過(guò)低頻L F中斷或間隔定時(shí)器中斷來(lái)喚醒。系統軟件框架流程圖如圖8所示。

S P37內部R O M自帶底層庫函數（Library Function），用戶(hù)可以直接調用庫函數。庫函數的使用大大簡(jiǎn)化了程序員軟件開(kāi)發(fā)難度而且軟件可靠性也得到增強。庫函數包含傳感器測量函數、低頻接口控制函數、高頻接口控制函數和其他處理函數。其中，傳感器測量函數包含：測量壓力或運動(dòng)加速度M e a s_P r e s s u r e函數、測量溫度M e a s_T e m p e r a t u re函數、測量電池電壓Meas_Supply_Voltage函數、測量加速度Meas_Acceleration函數；低頻接口控制函數包含：低頻波特率校準LFBaudrateCalibration函數；高頻接口控制函數包括：使能晶體工作S t a r t X t a l O s c函數、停止晶體工作St o p X t a l O sc函數、VCO工作V C O_T u n i n g函數、發(fā)射R F幀
S e n d_R F_T e l e g r a m函數；其他處理函數包括：P o w e r d o w n函數、CRC8校驗CRC8_Calc函數、CRC16校驗C R C16_C h e c k函數、讀取設備標識碼R e a d_I D函數、16位數據乘S M u l I n t I n t函數、間隔定時(shí)器校準IntervalTimerCalibration函數、獲取硬件版本號FW_Revision_Nb函數。

由于安裝在每個(gè)輪胎內部的輪胎壓力傳感器會(huì )存在同時(shí)發(fā)射高頻數據可能性，數據之間會(huì )產(chǎn)生射頻干擾，從而導致B C M控制器射頻接收端無(wú)法收到正確的數據，這即是數據沖突。數據沖突是隨機產(chǎn)生的，因而無(wú)法避免，但是要在產(chǎn)生沖突后將再次產(chǎn)生數據沖突的概率降低，避免造成連續的數據沖突。目前，系統在每個(gè)發(fā)射高頻數據幀之間增加一段隨機延時(shí)，隨機延時(shí)的時(shí)間為數據幀時(shí)間長(cháng)度的質(zhì)數倍，即3倍、5倍、7倍、11倍和13倍。這樣，如果前面有模塊發(fā)生了數據沖突，則只有當發(fā)送沖突的模塊的隨機延時(shí)時(shí)間相同時(shí)才會(huì )再次產(chǎn)生數據沖突，此概率為4%。

結構設計

輪胎壓力傳感器安裝在汽車(chē)輪胎內部，由氣門(mén)嘴、殼體和防塵帽組成。汽車(chē)行駛速度最高可達250k m/h，而且輪胎內部環(huán)境復雜且異常惡劣，長(cháng)期處于高壓、高濕、溫度交變、油污、顛簸震動(dòng)等環(huán)境中。溫度高低變化容易使殼體脆化并使機械強度降低，高濕情況下也會(huì )使殼體發(fā)生膨脹、強度降低并產(chǎn)生腐蝕等化學(xué)反應。輪胎行駛在各種路面上，顛簸震動(dòng)頻率幅度都各不相同，這些情況都可能導致零部件松脫。這就要求系統結構設計考慮如下幾點(diǎn)：系統總重量要輕（小于40g）、耐速旋轉加速度性能高、結構斷裂強度高、密封性高（I P6防護等級）、結構和氣門(mén)嘴材料
選擇耐高低溫和耐腐蝕材料、氣門(mén)嘴與輪輞接合處有防松動(dòng)設計。

結論

輪胎壓力傳感器無(wú)論臺架試驗還是各種情況的道路測試，系統保持高可靠性，系統低頻收發(fā)準確率和高頻收發(fā)準確率達到98%，當輪胎出現異常危險情況時(shí)，汽車(chē)儀表盤(pán)顯示相關(guān)報警信息，實(shí)時(shí)提醒駕駛者，將因輪胎氣壓?jiǎn)?wèn)題造成的事故消滅在萌芽之中，增強了汽車(chē)行駛的安全性。本系統成功應用將會(huì )對汽車(chē)行駛安全系統帶來(lái)更高使用價(jià)值和社會(huì )價(jià)值。