基于胎壓監測傳感器的TPMS雙向通信系統

1 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)無(wú)線(xiàn)形式按照一定的規律向車(chē)身控制器(Body Control Model，BCM)發(fā)送輪胎的壓力值和溫度值，BCM通過(guò)CAN總線(xiàn)將信息幀發(fā)送給儀表盤(pán)，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)安裝于每個(gè)輪胎擋泥板位置處的低頻天線(xiàn)與BCM進(jìn)行信息通信，并將BCM需要汽車(chē)胎壓監測傳感器何種操作信息解析并轉換為125 kHz低頻無(wú)線(xiàn)數據發(fā)射出去，汽車(chē)胎壓監測傳感器將接收此低頻無(wú)線(xiàn)信號，然后按照解析后的操作信息進(jìn)行工作。以上就是TPMS雙向通信系統。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：各種天氣情況下，例如陰天、下雨等不同天氣環(huán)境;各種路況，例如國道、高速、鄉村公路、山路等等;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。

2 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)于頻繁地維護修理，一般要求有10年使用工作壽命，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 汽車(chē)胎壓監測傳感器系統組成框圖

2.1 傳感器選擇

MCU/Sensor是系統的核心，由Infineon公司的SP300V2.1-E106-0實(shí)現。SP300V2.1-E106-0整合了硅顯微機械加工的壓力傳感器、溫度傳感器與加速度傳感器和一個(gè)電池電壓監測器，并內部集成一個(gè)低功耗8位哈佛結構的RISC控制器;它具有下電、運行、空閑、關(guān)斷4種工作模式，并有IT/LT喚醒、PORT喚醒和LF低頻檢測喚醒3種喚醒方式，能夠有效地滿(mǎn)足系統低功耗設計要求。壓力測量范圍0～3.5 Bar;溫度測量范圍-40～+125℃;向心加速度測量范圍-12g～115g;工作電壓范圍1.8～3.6 V。

2.2 射頻單元選擇

RF射頻芯片主要用于將數字信號轉換為高頻信號。系統采用Maxim公司的MAX7044芯片，其工作電壓為+2.1～+6.0 V，8 mA的低工作電流，00K/ASK調制方式，通信速率能達到100 kbps，小封裝3 mm×3 mm，8引腳S0T23封裝。它消除了基于SAW發(fā)送器設計的問(wèn)題;采用晶體結構，提供了更大的調制深度和快速的頻率響應機制;降低了溫度的影響，溫度范圍可達-40～+125℃。其內部包含功率放大器(PA)、晶體振蕩器(crystal oscillator)、驅動(dòng)器(driver)、數據有效檢測電路(data activity detector)、鎖定檢測電路(10ck detect)、鎖相環(huán)(32xPLL)、分頻器(16分頻)等電路。

MAX7044有一個(gè)自動(dòng)的低功耗模式(shutdown mode)控制方式。如果DATA引腳在一個(gè)確定的時(shí)間(等待時(shí)間)內沒(méi)有動(dòng)作，器件自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。等待時(shí)間大約是216個(gè)時(shí)鐘周期，在433 MHz頻率大約為4.84 ms。進(jìn)入低功耗模式的等待時(shí)間為：。其中，fRF是射頻發(fā)射頻率。當器件在低功耗模式時(shí)，在DATA信號的上升沿“熱”啟動(dòng)晶振和PLL，晶振和PLL在數據發(fā)射前需要220μs的建立時(shí)間?；鶞暑l率和載波頻率的關(guān)系為：fXTAL=fRF/32。

MAX7044的主要特性參數如下：

◆+2.1～+3.6 V單電源供電

◆OOK/ASK發(fā)射數據格式

◆最大數據率100 kbps

◆+13 dBm輸出功率(50 Ω負載)

◆供電電流低(典型值7.7 mA)

◆250μs快速啟動(dòng)時(shí)間

由MAX7044構成的發(fā)射電路圖如圖2所示，實(shí)際設計時(shí)根據天線(xiàn)的實(shí)際阻抗和射頻發(fā)射芯片輸入阻抗，利用π型匹配網(wǎng)絡(luò )完成射頻發(fā)射芯片和天線(xiàn)之間的阻抗匹配，以達到最大功率輸出。

圖2 由MAX7044構成的發(fā)射電路圖

2.3 電池選擇

電池選擇以色列Tadiran電池公司推出的高溫系列電池(TLH)，供電電壓+3.6 V，電池容量500 mAh，具有壽命長(cháng)、能量密度大、自放電極低、重量輕(8.8 g)、溫限寬(-55～+125℃)等特點(diǎn)。

2.4 低頻接口與計算

LF低頻通信中，SP300V2.1-E106-0接收來(lái)自BCM發(fā)出低頻信息。低頻天線(xiàn)由并聯(lián)的電阻、電容和電感組成，如圖3所示。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125 kHz。諧振頻率計算公式為fc=

。低頻電感采用普萊默(Premo)公司TP1103-0477，電感量4.77 mH，通過(guò)上述公式推導計算電容值：

圖3 低頻硬件示意圖

并聯(lián)電阻R主要減少LCD諧振電路品質(zhì)因數Q(Quality Factor)值，達到低頻足夠帶寬(7.8 kHz)。

諧振電路品質(zhì)因數

，這就要求LF諧振電路品質(zhì)因數Q不能大于15?？梢杂嬎汶娮鑂=Q×XL=15×2π×fc×L= 49.5 kΩ。

由于SP300V2.1-E106-0低頻喚醒和接收波特率硬件設定為3.9 kbps的曼徹斯特編碼。圖4為低頻載波數據傳輸和曼徹斯特編碼之間關(guān)系。

圖4 低頻載波數據傳輸和曼徹斯特編碼之間關(guān)系

由于硬件已被固化為3.9 kbps曼徹斯*波特率，通過(guò)計算LF每個(gè)發(fā)送位時(shí)間為3.9 kbps×2=7.8 kbps。

3 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：極化選擇，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，主要是指對天線(xiàn)的增益、方向圖形狀、阻抗(電阻和電抗)等的影響;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，433.92MHz的工作頻率，波長(cháng)為691.37 mm，常規的天線(xiàn)尺寸一定不能滿(mǎn)足要求。

基于以上考慮，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小(幾Ω)，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)射芯片的射頻輸出引腳的阻抗進(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，如圖5所示。經(jīng)過(guò)臺架試驗和路試，表明我們的設計思路和匹配方法是有效的。

圖5 氣門(mén)嘴天線(xiàn)示意圖和等效倒F天線(xiàn)示意圖

4 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，BCM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)壽命特性，系統要達到如此長(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O.6μA，系統休眠狀態(tài)可通過(guò)低頻LF中斷或定時(shí)器中斷來(lái)喚醒。系統軟件框架流程如圖6所示。

圖6 系統軟件框架流程

SP300V2.1-E106-0內部ROM自帶底層庫函數(Library Function)，用戶(hù)可以直接調用庫函數。

由于安裝在車(chē)上每個(gè)輪胎內部的輪胎壓力傳感器會(huì )存在同時(shí)高頻數據發(fā)射可能性，在此期間數據之間會(huì )產(chǎn)生射頻干擾，從而導致BCM控制器射頻接收端無(wú)法收到正確的數據，即數據沖突。數據沖突由于是隨機產(chǎn)生的，因而無(wú)法避免，但是必須在產(chǎn)生沖突后再次產(chǎn)生數據沖突的

概率盡量低，避免造成連續的數據沖突。目前系統采取在每個(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，系統選擇了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%。

5 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250 km/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、顛簸振動(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，顛簸振動(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)：系統總重量要求輕(小于40 g)、耐速旋轉加速度性能高、結構斷裂強度高、密封性高(IP6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。

6 結論

無(wú)論是臺架試驗還是各種情況的道路測試，輪胎壓力傳感器均保持高可靠性，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。