汽車輪胎壓力檢測系統接收模塊的設計

常國鵬，張鳳登，胡忠義

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引 言

汽車輪胎氣壓監測系統（TPMS），主要用于在汽車行駛時，適時地對輪胎氣壓和溫度進行自動監測，對輪胎漏氣、低壓、高壓、高溫等危險狀態提前進行預警，確保行車安全。這個概念在2000年就已頻繁地出現在各種報刊、雜志中，成為汽車界關注的熱點。目前，TPMS屬于汽車三大安全系統之一。它將是繼ABS、ESP之后的又一主動安全系統，也是未來汽車發展的必然趨勢。TPMS主要分為直接式和間接式兩種類型。由于間接式TPMS自身原理的局限，不能對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100 km／h的情況進行判斷而淘汰。直接式TPMS利用安裝在每個輪胎里的壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示與監視，當輪胎氣壓過低、過高或有滲漏時，系統會自動報警。直接式TPMS能測定每個輪胎內部的壓力，很容易確定輪胎的故障而成為主流。本文介紹一種直接式TPMS接收模塊的軟硬件設計，利用PIC16F917內部的LCD驅動器驅動LCD顯示器顯示胎壓信息，當胎壓過高或過低時顯示器報警，蜂鳴器報警。

1 系統組成結構及原理

TPMS輪胎接收模塊主要完成對輪胎發射模塊發出數據的采集和顯示，并針對數據進行一定的分析，根據分析結果判斷胎壓狀態。當胎壓過大或過小時給出聲光報警。該模塊由天線、SAW濾波器、射頻接收芯片TDA5210、PIC16F917單片機、LCD顯示器和蜂鳴器組成。射頻接收原理如圖1所示。

圖1 射頻接收原理圖

2 接收模塊硬件電路設計

2.1 射頻芯片外圍設計

本設計采用Infineon公司的433／840 MHz射頻信號接收芯片TDA5210。TDA5210是一種低功耗單片射頻接收芯片，同時支持FSK／ASK解調方式，工作頻段為810 MHz～870 MHz頻段和400 MHz～440 MHz頻段。可以通過對TDA5210外部引腳的配置來選擇解調方式和射頻芯片的中心工作頻率［1］。

TDA5210的內部結構原理充分反映并利用了射頻信號解調原理。理解其內部原理對后期PCB板的規劃與布線，以及系統性能的改進起到了關鍵的作用，是整個433 MHz射頻信號系統搭建的關鍵前提。

其內部分為三個模塊：前端放大、數字解調、低通濾波。

前端放大主要由兩個組成部分：低噪聲放大器（Low Noise Amplifer）和起到自動增益控制作用的負反饋電路（Automatic Gain Control）。該模塊中輸入信號為經過前端匹配濾波后的433 MHz信號，經過混頻器（Mixer）降頻，向下一級輸出解調后的10.7 MHz的中頻信號［2］。

數字解調部分可通過外部引腳來調整選擇解調調頻信號（FSK）或調幅信號（ASK），其外部輸出為不帶有載波成分的數字信號。

低通濾波部分含有數字濾波（Low－pass Data Filter）與數字切割（Data Slicer）兩部分，其最后輸出信號由TDA5210的25引腳DATA 引腳來輸出PIC16F917能夠識別的數字信號。

2.2 射頻前端設計

射頻前端的設計主要包括三個部分，天線的設計、濾波器的設計和阻抗匹配。

由于PCB天線設計復雜，受干擾因素較多，需要不斷地進行仿真設計、參數優化、阻抗測試、再設計再優化。此過程相當繁瑣，因此采用較簡單尺寸如較小的螺旋天線，天線中心頻率為433 MHz，輸出阻抗為50Ω。

為得到良好的433 MHz信號，要在前端添加一個中心頻率為433.92 MHz的窄帶通濾波器，本文選用EPCOS公司的射頻專用SAW濾波器B3743。B3743在通帶內幅值衰減很小，10 dB通帶帶寬約為1 MHz，尺寸為3 mm×3 mm，貼片封裝，具有ESD保護功能，非常適合應用于射頻前端濾波。

在射頻電路設計中，RF電路的主要功能是功率傳送。不管是輸入阻抗還是輸出阻抗，阻抗匹配是不可缺少的，并且非常重要。阻抗匹配不但能實現功率的最大傳輸，而且消除了功率從信號源到負載傳輸過程中的相移。實現匹配的通常做法是在源和負載之間插入一個無源網絡，這種網絡通常被稱為匹配網絡［3］。Simth圓圖是應用最廣泛的匹配電路設計工具之一，它直觀地描述了匹配設計的全過程。螺旋天線的阻抗為50Ω，在天線和TDA5210的LNA（low noise amplifier）之間接入一個SAW 濾波器B3743。要對B3743的輸入阻抗和輸出阻抗都匹配到50Ω。利用ADS里的Smith Chart Unity Tool來進行匹配，匹配電路如圖2所示。

匹配完成后，利用ADS的S－PARAMETERS下的SIMULATE工具對電路進行仿真，仿真結果如圖3所示。

由圖3可知，已經將濾波器的輸入阻抗和輸出阻抗匹配到50Ω，并且插入損耗較小，濾波器幅值衰減較小，匹配效果較理想。

圖2 濾波器阻抗匹配電路圖

圖3 S參數圖

3 接收模塊軟件設計

輪胎接收模塊的程序主要完成系統的初始化、顯示初始化、ID及CRC校驗、數據的接收處理報警。接收程序流程圖如圖4所示。接收模塊具有高壓、低壓報警、漏氣報警、高溫報警等功能。通過使用看門狗設置，有效地避免了系統的死機問題，提高了系統的穩定性。系統具有對汽車顛簸而帶來誤差的處理能力，極大地提高了系統的可靠性。

圖4 接收程序流程圖

4 結束語

本文闡述了基于英飛凌TDA5210的433 MHz無線接收模塊的設計。通過ADS仿真，設計出了天線前端射頻匹配網絡。通過軟件設計，實現了數據接收處理報警功能。該系統性能優良，實現了主動安全功能，對危險進行及時預警，具有很好的市場前景。

［1］ TDA5210 Data Sheet［Z］.Infineon Technologies，2001.

［2］ 何 仁，胡青訓，薛 翔.汽車輪胎氣壓檢測系統發疹綜述［J］.中國安全科學學報，2005，（10）：105－109.

［3］ 肇一霏.基于TDA5210的433MHz無線接收機的設計和實現［D］.長春：吉林大學，2012.

［4］ 徐興福.ADS2008射頻電路設計與仿真實例［M］.北京：電子工業出版社，2009.