輪胎壓力監測系統無(wú)線(xiàn)數據傳輸的設計與實(shí)現

當前，針對汽車(chē)安全的輪胎壓力監測系統TPMS(Tire Pressure Monitoring System)正逐步走向市場(chǎng)，成為汽車(chē)里面的標準配置，為保護駕車(chē)人以及行人的生命安全發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。

　　在主動(dòng)式的TPMS中，需要把監測到的壓力、溫度等數據實(shí)時(shí)地傳到控制臺去。壓力監測模塊通常是安裝在氣門(mén)嘴上或者是利用緊箍扣安裝在輪轂上，故這兩種安裝方式監測到的數據都只有通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信才能傳輸到駕駛室內的接收裝置，以便及時(shí)提醒駕駛員注意輪胎壓力的變化，避免可能發(fā)生的事故。

　　在TPMS實(shí)際使用過(guò)程中，不可能頻繁地拆卸輪胎來(lái)為發(fā)射模塊更換電池，故需要做到壓力監測模塊與輪胎同壽命。這就對發(fā)射模塊的功耗提出了很苛刻的要求，既要求具有盡可能大的發(fā)射功率，能夠把信號及時(shí)準確地傳輸到接收端；又要求發(fā)射時(shí)所需要的能量盡可能的小，少消耗電池的能量，相應地延長(cháng)發(fā)射模塊的使用壽命。這樣，就要求在實(shí)際的設計中盡可能地選擇發(fā)射效率高的芯片，并且外圍接口電路越少越好，多方面地綜合降低系統的功耗。

　　由于輪胎內惡劣的運行環(huán)境，給信號的發(fā)射和接收都帶來(lái)許多困難，這對芯片的功耗、溫度等參數要求很高。目前市場(chǎng)上能夠提供此類(lèi)無(wú)線(xiàn)發(fā)射、接收芯片的廠(chǎng)家主要有MAXIM、ATMEL、Infineon、freescale等公司，根據實(shí)際的使用需要，綜合考慮幾類(lèi)產(chǎn)品在功耗、抗干擾等方面的因素，本設計選擇Infineon公司的發(fā)射芯片TDK5110和接收芯片TDA5210，傳感器芯片選擇Infineon公司的SP12。

　　1 發(fā)射芯片電路設計

　　單片ASK/FSK發(fā)射芯片TDK5110的工作頻段為433MHz～435MHz，此為 ISM(Industrial Scientific Medical Band)頻段。TDK5110內部集成了PLL，且具有一個(gè)高效的功率放大器來(lái)驅動(dòng)發(fā)射天線(xiàn)，芯片的工作溫度范圍為-40～125℃，電源電壓范圍為 2.1～4V[2]，完全滿(mǎn)足汽車(chē)輪胎上要求的溫度及電壓范圍。

　　TDK5110提供了ASK和FSK兩種數據調制方式。ASK非常容易受到噪聲干擾，FSK在抗干擾方面要優(yōu)于A(yíng)SK，而輪胎所處的特殊運行環(huán)境，受到的干擾很多。所以本設計采用FSK的數據調制方式。TDK5110的芯片內部主要包含發(fā)射功率放大器(PA)、晶體振蕩器(OSC)、壓控振蕩器 (VCO)、相位檢波(PD)電路、分頻器、回路濾波器(LF)、FSK開(kāi)關(guān)等[2]。芯片的外圍設備元器件較少，有利于系統成本的降低，也方便了系統的參數設置與調試。

本設計中發(fā)射芯片的中心頻率為434MHz，采用13.56MHz的外接晶振，通過(guò)鎖相環(huán)32倍頻得到434MHz。發(fā)射天線(xiàn)的選擇既可以是單端天線(xiàn)，也可以是PCB印制天線(xiàn)，由于輪胎內對整個(gè)發(fā)射模塊的重量有所限制，所以最好選擇PCB 印制天線(xiàn)。為獲得好的性能，設計電路板時(shí)，天線(xiàn)環(huán)包圍的面積應盡可能大，越靠近環(huán)的邊沿，場(chǎng)的密度越高，所以設計的形狀近似于一個(gè)正方形[6]。

　　TDK5110提供三種功率模式：低功耗模式(Power Down Mode)、PLL使能模式(PLL Enable Mode)和發(fā)射模式(Transmit Mode)[2]。在低功耗模式下，整個(gè)芯片都停止工作，電流消耗的典型值在85℃時(shí)為14nA；在PLL使能模式下，PLL開(kāi)始工作而功放(PA)并未啟動(dòng)，PLL的啟動(dòng)時(shí)間主要取決于外接的晶振大小，一般小于1毫秒，電流的消耗為4mA；在發(fā)射模式下，芯片的所有部分都開(kāi)始工作，電流消耗的典型值為 14mA。當然，在實(shí)際的使用過(guò)程中，芯片大部分時(shí)間處于低功耗模式，就是在汽車(chē)的行駛過(guò)程中，數據也是間歇傳出來(lái)的。所以可以通過(guò)軟件設置一些發(fā)送模式及發(fā)射數據的頻率，以期有效地降低系統的功耗。本設計采用FSK的數據調制方式，所以根據圖1所示的FSK調制的時(shí)序邏輯圖，整個(gè)芯片的外圍電路連接如圖 2所示。其中，CLKOUT是與單片機同步的時(shí)鐘信號，FSKDATA是與單片機的TXD引腳相連的信號，而PDWN和ASKDATA引腳則和單片機的兩個(gè)I/O引腳相連，通過(guò)軟件可控制數據的發(fā)送模式。

2 接收芯片電路設計

　　與TDK5110相對應的接收芯片為T(mén)DA5210，TDA5210是低功耗的單片FSK/ASK 超外差接收芯片，工作在ISM的810MHz～870MHz以及400MHz～440MHz頻段。芯片的集成度高，所需要的外設較少，有利于用戶(hù)的設計。此芯片內有低噪聲放大器(LNA)、雙平衡混頻器(mixer)、壓控振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、晶振、限幅器(limiter)、鎖相環(huán) FSK解調器(PLL FSK demodulator)、數據濾波器(data filter)、數據限幅器(data slicer)、峰值檢波器(peak detector)等電路[3]。

本接收端選擇FSK數據調制方式，此時(shí)電流的消耗為5.9mA，接收靈敏度為-100dBm，在低功耗模式下電流消耗為50nA。

　　接收天線(xiàn)選擇鞭狀天線(xiàn)，其長(cháng)度為λ/4(λ為其接收信號的波長(cháng))，接收信號的頻率為434MHz，故天線(xiàn)長(cháng)度大約為17.3cm，此天線(xiàn)接收信號很靈敏。信號通過(guò)天線(xiàn)接收到以后，通過(guò)一個(gè)LC濾波器進(jìn)入LNA(低噪聲放大器)，把一個(gè)微弱的信號放大。由于LNA本身具有噪聲，故需要通過(guò)第二個(gè)LC濾波網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行濾波，然后進(jìn)入混頻器，與晶振通過(guò)鎖相環(huán)倍頻的信號進(jìn)行混頻，混頻后的信號通過(guò)中頻濾波器(IF filter)進(jìn)入限幅器。再經(jīng)過(guò)數字濾波器、數據限制器送入單片機作進(jìn)一步的解碼處理。接收端的單片機選擇NEC公司的78F0034單片機[7]。接收芯片的外圍接口電路如圖3所示。

LNA主要是把天線(xiàn)接收到的微弱信號放大，理想的放大器希望只放大期望信號的幅度，而不放大任何失真信號和噪聲信號，但實(shí)際上信號在通過(guò)LNA時(shí)都不可避免的產(chǎn)生噪聲。這就需要在LNA的前后都加上濾波網(wǎng)絡(luò )，若參數匹配合適，可以有效地濾除接收進(jìn)來(lái)的雜波，提高信噪比。

接收端要同時(shí)接收來(lái)自四個(gè)車(chē)輪的數據信息，如何區分數據信息來(lái)自于哪個(gè)輪胎，就需要給輪胎編上序號。Infineon的傳感器芯片SP12就為每一個(gè)傳感器編了一個(gè)惟一的序號，這使得在提取每一個(gè)傳感器的相關(guān)信息時(shí)，首先讀取該傳感器的序號，據此就可以確定輪胎的位置[1]。

　　3 系統的軟件設計

　　 系統啟動(dòng)后，通過(guò)發(fā)射模塊內的單片機讀取傳感器芯片所測量到的胎內壓力、溫度、電池電壓以及加速度等，然后把這些信息和傳感器的序號通過(guò)發(fā)射模塊TDK5210發(fā)送出去。傳感器芯片與單片機之間的數據傳輸主要通過(guò)SPI總線(xiàn)協(xié)議完成[1]。

　　汽車(chē)啟動(dòng)后，接收端上電開(kāi)始工作，通過(guò)接收發(fā)射端傳輸過(guò)來(lái)的相關(guān)數據信息，實(shí)時(shí)地監測輪胎內的壓力變化情況。當壓力低于某一個(gè)設定的閾值時(shí)，通過(guò)警報方式提醒駕駛人員的注意，以便采取相應的措施。

　　輪胎壓力監測系統中無(wú)線(xiàn)數據傳輸問(wèn)題是整個(gè)TPMS系統的關(guān)鍵部分，本設計在實(shí)驗室條件下已經(jīng)取得了預期的效果。由于實(shí)際的環(huán)境條件遠比實(shí)驗室復雜，所以要在實(shí)際的生產(chǎn)中使用，還需要更多次實(shí)驗以及現場(chǎng)調試，并在此基礎上作一些調整與改進(jìn)。