一種基于SP37的新型TPMS系統設計

　　摘要：簡(jiǎn)要介紹了胎壓監測系統(TPMS)的組成，提出了一種基于新型傳感器SP37的胎壓監測系統。該系統采用SP37和MAX1473作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，詳細闡述了其軟件和硬件設計中的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際測試效果表明，該系統接收靈敏度可達到-100 dBm，高速跑車(chē)時(shí)速100 km時(shí)工作穩定。

　　汽車(chē)胎壓監測系統(Tyre Pressure Monitoring System，TPMS)是一種能對汽車(chē)輪胎氣壓、溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測，并對輪胎異常情況進(jìn)行報警的預警系統。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(chǎng)逐漸淘汰，后一種方案是當前市場(chǎng)上較為先進(jìn)的產(chǎn)品設計形式。隨著(zhù)半導體及硅顯微機械加工技術(shù)的快速發(fā)展，一種新的設計方案即電池+內部集成MCU和RF的專(zhuān)用傳感器正成為T(mén)PMS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(cháng)，產(chǎn)品競爭力也更強。本文選用Infineon新一代系統級芯片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測系統。

1 系統描述

　　胎壓監測系統組成如圖1所示，輪胎壓力傳感器分別安裝在4個(gè)車(chē)輪輪轂上，負責測量輪胎內部的壓力、溫度和電池電壓等物理狀況，并將測量數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)形式按照一定的規律發(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。當某一個(gè)輪胎的溫度、壓力或電池電壓超過(guò)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 系統硬件方案設計

　　該TPMS系統包括兩種硬件模塊：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A(yíng)SK調制模式的MAX1473作為無(wú)線(xiàn)接收芯片，由8位單片機控制實(shí)現數據的接收、顯示和報警。本設計方案遵循歐洲標準，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)輪胎壓力傳感器設計的關(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)行可靠性設計；

　　2)最小可工作電壓低，功耗低，有多種工作模式，便于根據具體工作狀態(tài)進(jìn)行功耗管理，以盡可能延長(cháng)監測模塊的工作壽命。

　　根據以上特點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)分析比較，最終選用了SP37這款高集成度系統級芯片。SP37是調頻范圍為300～450 MHz的胎壓傳感器芯片，內部集傳感器、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(xiàn)匹配電路三部分。由于RF芯片對汽車(chē)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(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)優(yōu)化這些參數可以將特定阻抗的天線(xiàn)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(xiàn)的效能。本設計采用氣門(mén)嘴作為天線(xiàn)，通過(guò)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(chē)載電源供電，對功耗的要求不是很?chē)栏?。由于胎壓控制器安裝于車(chē)廂內，考慮到金屬車(chē)身的屏蔽效應，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MAX1473來(lái)完成胎壓傳感器SP37射頻無(wú)線(xiàn)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，接收數據速率最大為100 kb／s，內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據恢復電路，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(xiàn)、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(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，并將LNAIN輸入阻抗的實(shí)部設置為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(xiàn)，可算出匹配電感L4約為73 nH。對于315 MHz系統，晶振G1頻率為4．754 7 MHz；對于433．92 MHz系統，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 系統軟件方案設計

　　如何節能是輪胎壓力傳感器模塊軟件設計的關(guān)鍵問(wèn)題。一個(gè)傳感器模塊要在一節幾百毫安時(shí)的電池下工作2年以上，而射頻發(fā)送數據幀時(shí)耗電最大，因此在保證數據傳輸正確的前提下應盡量減少發(fā)送次數。發(fā)射模塊軟件流程如圖5所示，本設計采用了基于素數的動(dòng)態(tài)時(shí)延算法，即各輪胎上的傳感器模塊在完成溫度、壓力的測量以后，分別按1 000ms×N1(N1為小于20的隨機素數)延時(shí)后再將數據發(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據發(fā)送沖突的概率。此外，如果傳感器檢測到輪胎靜止超過(guò)1 h，則會(huì )自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，即不再發(fā)送數據，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)可監測胎壓范圍為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)可監測溫度范圍：-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 結束語(yǔ)

　　目前，輪胎壓力監測系統的強制標準已送交國家有關(guān)部門(mén)審核，汽車(chē)標配TPMS安全系統成為必然的趨勢。本文基于SP37集成度高、可靠性強、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，選用MAX1473設計實(shí)現了一種新的無(wú)線(xiàn)胎壓監測系統，該系統工作穩定可靠，具有很好的市場(chǎng)前景。