高集成度胎壓監測發射系統設計與實現

摘要：介紹了胎壓監測（TPMS）發射系統的基本構成和特性，給出了基于SP37的胎壓監測發射系統設計方案，討論關鍵元器件的選取及使用注意事項，并介紹了系統的軟件設計和低功耗策略。該設計實現的發射系統具有高集成度、低功耗、低成本、射頻效率高等特點。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/192740.htm

關鍵詞：TPMS；SP37；低功耗

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.015

前言

車輛在行駛過程中，車輛駕駛人員最擔心和最難預防的就是爆胎問題，它會引起或誘發嚴重的交通事故，特別是在車輛高速行駛時，輪胎爆破將更加危險。據統計，國內的公路交通事故70%以上都是由輪胎問題引起的，而在美國這一比例則高達80%。為了預防爆胎，輪胎壓力監測系統逐漸成為車輛的必要配置，輪胎氣壓監視系統屬于“事前主動”型安保，即在輪胎出現危險征兆時，如輪胎快漏氣、溫度高、氣壓高、氣壓低等能及時報警，采取措施，將事故消滅在萌芽狀態，確保汽車在行駛過程中始終處于安全狀態。

發射系統的組成

安裝在輪胎內的TPMS發射模塊是整個TPMS的核心部件，輪胎內部環境非常惡劣，輪胎又是經常處于高速的運動狀態下。該產品又是汽車產品安全件，其應在各種環境下具有高可靠性，如陰天、下雨、雪天等不同天氣環境；各種路況，例如國道、高速、鄉村公路、山路等等；冬季中極寒冷地區（-40℃）；夏季中的炎熱地區（汽車在頻繁剎車時輪胎內溫度可達125℃）；不同的車速（0～200km/ h）等。另因其防水、防腐蝕需要，整個發射PCB板和電池被環氧灌封膠所密封，所以發射模塊一旦安裝上，整個使用期間，就不能更換電池和元器件，一般發射系統都要求有5～6年使用工作壽命，這就需要在設計時要嚴格選擇各個器件。

TPMS發射系統主要完成的功能是：對輪胎的壓力、溫度、加速度等信息進行測量，并將測量得到的壓力、溫度等信息進行處理，判斷是否出現高溫、高壓、低壓等情況，若出現上述情況之一，則系統把數據信息疊加到433.92MHz的載波上，通過天線進行發射，提供給車身控制器。根據胎壓發射系統需要完成的功能，發射系統需要包括：（1）壓力溫度傳感器；（2）微控制器；（3）RF發射器；（4）電池；（5）天線。依據上面的描述，汽車胎壓監測發射系統組成框圖如圖1所示。

關鍵元器件選擇

傳感器選擇

傳感器芯片是發射系統的核心元器件，汽車輪胎獨特的工作環境條件，決定了傳感器的高要求：寬溫工作區（-40～125℃）、寬電源電壓范圍內較高的測量精度和可靠性、較低的功耗、惡劣環境無線信號傳輸穩定性要求。

較早以前的TPMS發射系統一般由溫度壓力傳感器+微控制器+RF芯片（如SP12+PIC16F+TDK5100F或MAX7044）組成，到后來的溫度壓力傳感器，微控制器集成在一起+RF芯片（如SP30+TDK5100F或MAX7044）組成，到最近的Infineon（英飛凌）公司推出的把溫度壓力傳感器，微控制器、RF芯片都集成在一塊芯片上，整個 TPMS發射系統只需要一顆SP37芯片就可以完成控制、測量、發射射頻的所有功能，大大簡化開發的時間和系統成本。

Infneon（英飛凌）公司的SP370-25-106-0，芯片內部集成了圖2所有功能處理模塊，其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，內部集成一個低功耗8位兼容8051指令的控制器，并內部集成了ASK/FSK調制方式的發射器，射頻輸出功率5～8dBm（50Ω負載）；集成了高靈敏度125kHz低頻接收器。

SP37具有下電、運行、空閑、關斷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，能夠有效地滿足系統低功耗設計要求。壓力測量范圍0～3.5Bar；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1.9～3.6V?；赟P37的電路原理圖如圖3所示。

硬件電路設計

系統高頻工作頻率選用歐洲胎壓監測系統指定波段433.92MHz，通過SP37內部集成的PLL，把外部的晶振24倍頻到433.92MHz，故外部的晶振頻率選用433.92MHz/24=18.08MHz，故我們選用香港汽車晶體的汽車級18.08MHz、負載電容為15pF晶體，晶體連接如圖3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開通或斷開載波，但其抗噪聲能力較差，易受干擾，所以系統選用FSK調制方式。

FSK的上下頻點，可通過SP37的內部電容和外接電容進行調解， SP37內部集成了8個并聯的電容，如圖4所示，由于內部集成電容的值較小，屬于對頻點進行微調范疇；外接的電容，因為可以接較大的電容，屬于粗調范疇，如圖4中的C1、C2對應圖3電路原理圖的C8、C9。通過設置SP37的XTAL1和XTAL0寄存器參數，并調節外部電容C1、C2的值，可將上下頻偏調到50kHz，中心頻點433.92MHz。

調節FSK上下頻點的原則為：

SP37內部集成射頻PA發射單元，通過π型匹配電路進行阻抗匹配，射頻功率輸出有3個等級，即1PA、2PA和3PA，功率從小到大。本系統通過設置RFTX.PAOP為11b，采用3PA放大功率，使頻譜儀測試RF輸出功率在50Ω負載時，達到8dBm，最終輸出的波形如圖5所示（發射系統距頻譜儀天線約0.5處測得）。

電池及節電措施

整個發射系統靠一塊電池來供電，普通的電池在-40℃低溫時喪失電能，在+100℃高溫時會快速自放電。根據TPMS發射系統的工作環境及要求，電池選用要考慮以下幾個方面：（1）工作溫度；（2）電池容量；（3）體積和重量；（4）放電特性。

為了使發射系統在一塊電池下工作5～6年，系統節電是一個重要任務，故我們采?。?/p>

（1）將所有不用的I/O口設置為輸入低電平；系統平時工作在POWER DOWN模式，當檢測或發射周期到達后，才進入RUN模式工作；

（2）SP37平時處于SLEEP模式，當需要發射數據時，才將其喚醒，進入到RUN模式；

（3）利用SP37集成的加速度傳感器，檢測汽車是在行車狀態還是停車狀態，如在行車狀態，則定時檢測和發射，如在停車狀態，則不檢測發射，減低系統功耗。

本系統電池選擇renat a的推出的耐高低高溫TPMS專用電池CR2450HT，供電電壓+3.0V，電池容量480mAh，具有壽命長、能量密度大、自放電低、重量輕（6.6g）、溫寬（-40～+125℃）等特點，配合系統的低功耗策略，完全可滿足5～6年壽命的要求。

天線

天線的性能將直接影響數據傳輸的質量，它是發射系統提升功率的重要因素。輪胎壓力傳感器的天線靠近氣門嘴，因而在設計天線時必須考慮輪胎金屬絲的屏蔽，輪輞金屬的反射影響，以及車輪高速旋轉時天線不斷變換方向、角度的影響等，所以天線設計時必須考慮以下因素：

（1）極化選擇，線極化容易受到天線姿態的影響，旋轉的車輪對天線的工作極化要求相對較高，圓極化比較適合；

（2）天線與射頻模塊連接，需要解決好阻抗匹配的問題，這也是天線設計的重點；

（3）由于輪胎壓力傳感器安裝在輪胎內，受到車身、天線運動等對性能的影響，主要是指對天線的增益、方向圖形狀、圓極化軸比、阻抗（電阻和電抗）等的影響；

（4）小型化設計，安裝在輪胎內部的天線，必須考慮小型化設計，433.92MHz的工作頻率，波長為691.37mm，常規的天線尺寸一定不能滿足要求。

基于以上考慮，我們選用法向模工作的螺旋天線作為本方案的發射天線，如圖6所示，這種天線具有加工容易、成本低、工作極化為圓極化、易于匹配等優點，如圖6所示，經過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。

系統軟件設計

SP37集成的微處理器為8051內核，軟件用C語言在Keil uVision環境下，通過仿真器就可以進行仿真調試，而不像SP12、SP30那樣，必須用匯編進行仿真調試。系統組成模塊如圖7所示：Main為系統主程序模塊，Function為系統接口函數模塊，SP37 Library為SP37的庫函數模塊。Main模塊調用Function模塊，Function模塊調用SP37 Library模塊。

因為發送系統要考慮節電功能，所以系統平時處于休眠狀態，當接收到加速度喚醒信號時進行測量并發射數據。程序邏輯流程如圖8所示。首先進行系統初始化，然后開始判斷是否到達檢測周期，若檢測周期到則測量壓力值等，否則直接轉入休眠；測量完成后判斷是否需要發射，如果需要發射則發射射頻數據，否則轉入休眠；休眠時間到后，系統自動喚醒，重復上述處理過程。

結束語

輪胎壓力監測系統是將是汽車安全系統的必備功能之一，本文設計的輪胎壓力傳感器無論臺架試驗還是各種情況的道路測試，系統保持高可靠性，系統的射頻收發準確率達到98%，當輪胎出現異常危險情況時，實時提醒駕駛者，將因輪胎故障問題造成的事故消滅在萌芽之中，利用SP37的單芯片方案設計的TPMS發射系統，由于集成度高、性能穩定、功耗低，是一款非常優秀的設計方案，本系統成功應用將會對汽車行駛安全系統帶來更高使用價值和社會價值。

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